下一代無(wú)線(xiàn)終端的體系結構

中國已經(jīng)成為移動(dòng)終端的最大市場(chǎng)，但還有相當多的人沒(méi)有選擇無(wú)線(xiàn)服務(wù)，因此預期市場(chǎng)會(huì )繼續增長(cháng)。市場(chǎng)的增長(cháng)會(huì )有兩種推動(dòng)力：首先，很大一部分尤其是農村用戶(hù)將從開(kāi)發(fā)低成本手機中獲益。這些入門(mén)級的手機主要用來(lái)通話(huà)，雖然功能有限，但是會(huì )使更多的人從移動(dòng)電話(huà)中得到好處。實(shí)際上，在一些有線(xiàn)通信服務(wù)受限制的地區，很多潛在的用戶(hù)會(huì )選擇移動(dòng)服務(wù)來(lái)代替有線(xiàn)服務(wù)。另外，一旦3G許可證發(fā)放給運營(yíng)商，在這些新的高速率網(wǎng)絡(luò )中就會(huì )出現新的服務(wù)，驅使現有的移動(dòng)用戶(hù)來(lái)升級他們的手機以便利用這些新的服務(wù)。

同樣需要注意的是，全世界30%以上的手機目前是在中國制造的，國內制造商已經(jīng)占領(lǐng)了相當大的市場(chǎng)份額。這些制造商的進(jìn)一步發(fā)展將來(lái)自于繼續擴展國內的市場(chǎng)，以及增加對海外市場(chǎng)的出口。為了適應市場(chǎng)條件的變化以及消費者對新功能和多頻段、多模式操作手機的需求，就需要降低成本和縮短開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的時(shí)間。為了滿(mǎn)足對這種需求的支持，芯片供應商經(jīng)常提供參考設計以使手持產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。一種典型的3G手機的參考設計如圖1所示。

圖1  ADI公司為T(mén)D-SCDMA手機開(kāi)發(fā)的SoftFone-LCR參考設計

無(wú)線(xiàn)手持設備的一個(gè)發(fā)展趨勢是在強調全球通用性、尺寸和功耗、易生產(chǎn)和易升級的同時(shí)，還要包含一系列用戶(hù)設備(UE)的功能，如電話(huà)、PDA、高級音頻和視頻服務(wù)以及許多新的構想。對于新一代手機，顯然需要支持多模和不同空中接口操作。例如，在一個(gè)手機內必須同時(shí)存在GSM/GPRS和TD-SCDMA調制解調器。另外，我們經(jīng)常會(huì )面對多種移動(dòng)通信標準和無(wú)線(xiàn)連接標準共存的情況，例如Wi-Fi、UMA、Bluetooth，這些標準正逐漸融合到UE中。

在多模式UE中，不僅可能改變與空中接口標準相關(guān)的設備單元，而且還可能通過(guò)下載可執行的程序來(lái)執行任何應用層的功能。實(shí)現這種目標的關(guān)鍵技術(shù)基礎是：有效地劃分將要提供的UE系統功能，獲得支持的高效系統芯片(SoC)的實(shí)現，靈活的和可擴展的體系結構。

然而，不論從技術(shù)還是經(jīng)濟角度來(lái)看，移動(dòng)終端的現狀都極大地限制了我們接近這個(gè)目標的程度。最早的經(jīng)濟可行的多模解決方案都依賴(lài)于可擴展的單模方案，實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)封裝內兩個(gè)很大程度上獨立的設計組成。完全可編程UE的概念將按照一系列步驟逐步演進(jìn)，從可選擇硬件開(kāi)始，發(fā)展到可重新配置硬件，或許在將來(lái)發(fā)展到某一時(shí)候達到完全由軟件實(shí)現的可重新配置。在這個(gè)轉變的過(guò)程中，UE的某些特定功能方面會(huì )比其他部分經(jīng)歷更大程度的可編程性。許多功能在很大程度上都是從固定形式演進(jìn)到可編程形式，其中有些功能自然地有助于實(shí)現這種轉變如與信道和語(yǔ)音編碼相關(guān)的功能，然而其他的功能則需要一個(gè)緩慢的轉變過(guò)程如RF和混合信號功能。

無(wú)線(xiàn)手機體系結構—基帶平臺

數字基帶(DBB)平臺以其最高程度的可編程性成為了無(wú)線(xiàn)手機的關(guān)鍵組成。針對不同的UE結構和集成度，DBB包含一系列完整的可能帶有片內集成的混合信號(數模轉換器和模數轉換器，以及許多的輔助和語(yǔ)音頻帶轉換器)的基帶處理功能。用于無(wú)線(xiàn)通信的DBB結構通常依靠多內核平臺，包括可編程DSP和MCU內核以及針對特定無(wú)線(xiàn)標準的專(zhuān)用硬件功能模塊(加速器和協(xié)處理器)和大容量?jì)戎么鎯ζ?。?zhuān)用硬件通常包括超過(guò)目前DSP內核為手機集成可提供的一些需要高速和復雜性操作的處理單元，略舉幾例，碼片速率處理(如RAKE接收機)、蜂窩單元搜索，路徑搜索算法，turbo譯碼和快速傅立葉變換。DSP總是處于DBB結構的核心。為無(wú)線(xiàn)終端設計的DSP提供了多模操作的許多優(yōu)勢，包括DSP執行面向控制任務(wù)的能力、高速運算能力、快速增加的存儲容量和I/O帶寬(片內存儲器和用于片外存儲器的接口)、保證DSP系統性能的快速中斷響應次數和改進(jìn)的電源管理功能。過(guò)去幾年內，信道編碼和語(yǔ)音編碼中的許多功能已經(jīng)從硬連線(xiàn)的ASIC實(shí)現完全轉變?yōu)樵贒SP中執行的軟件實(shí)現。我們期望能夠利用DSP的結構優(yōu)勢以及半導體技術(shù)的優(yōu)勢使這種趨勢繼續快速發(fā)展。

這種發(fā)展路線(xiàn)已經(jīng)在新的無(wú)線(xiàn)標準中得到印證，如中國部分地區的EDGE(改進(jìn)數據速率GSM服務(wù))，DSP對信道編碼和均衡所需要的計算能力已經(jīng)遠遠大于GSM/GPRS的要求。高級DBB平臺得益于諸如Blackfin處理器內核，它能夠通過(guò)提供支持大多數信道均衡算法(如濾波和柵格譯碼)的指令集而完全通過(guò)軟件方式來(lái)處理這些新的問(wèn)題。展望3G標準，DBB平臺除了需要更加復雜的調制解調功能之外，還有新類(lèi)型業(yè)務(wù)的驅動(dòng)，例如視頻業(yè)務(wù)。Blackfin處理器內核的處理能力使其不僅在SoC中而且能夠在軟件平臺中充分利用其創(chuàng )新的體系結構完全用軟件方法實(shí)現TD-SCDMA的終端設備。

SoC復雜性和功能性發(fā)展趨勢

如前所述，高效SoC的實(shí)現是推動(dòng)多模手機的集成朝著(zhù)低成本解決方案發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?，F在市場(chǎng)上可提供的解決方案涵蓋整個(gè)IC種類(lèi)，主要劃分根據如下：芯片組的劃分，DBB體系結構的基礎作用，半導體技術(shù)的可用性，通信功能和應用功能的劃分。芯片組的劃分很大程度上取決于不同設計領(lǐng)域(例如RF、混合信號和DBB技術(shù))供應商的技術(shù)能力。大多數的芯片組的劃分是根據制造工藝，通常將RF收發(fā)器劃分為一顆獨立于混合信號和DBB的芯片，而且通常選用不同的工藝以實(shí)現最適宜的成本、性能以及上市時(shí)間。最近推出的“單芯片”解決方案將RF功能集成到片上，這通常需要90 nm甚至更小幾何尺寸工藝，并且在RF設計中利用了增強型數字方法。這種單芯片解決方案(通常仍然需要單獨的芯片提供功率放大器、電源管理以及閃存功能)具有較少的靈活性和較多的片上固定功能，主要定位于低端市場(chǎng)。從體系結構角度來(lái)說(shuō)，在靈活性程度和集成度之間總是存在一個(gè)折衷問(wèn)題。

由于多模終端的需求，對復雜度已經(jīng)相當高的DBB功能的集成度水平提出更高的要求，有效地集成附加的數字功能幾乎不影響其成本，通常主要取決于片內存儲器的尺寸?，F在很常見(jiàn)到幾百萬(wàn)邏輯門(mén)的DBB設計，它們能支持雙模通信功能和其他應用功能。通信功能和應用功能的化分也導致了不同SoC實(shí)現方案的選擇，從在同一芯片中整塊的集成單元(包括多模式通信功能以及典型的音頻和視頻應用功能)到通信處理器和應用處理器的物理上化分。

雖然SoC為加快設計周期提供了“必要”條件，但是重要的是應該強調軟件的穩定性和完備性帶來(lái)的“充分”條件。軟件設計的效率會(huì )直接影響到無(wú)線(xiàn)終端的成本和功耗，而一種結構化的設計方法能夠使復雜的無(wú)線(xiàn)型通信認證和互用性測試的支持和維護變得更容易。

SoftFone數字基帶體系結構

從對復雜SoC的系統劃分和支持的全視角來(lái)看SoftFone體系結構是一個(gè)很好的例子。該體系結構的靈活性使得終端設備商可以開(kāi)發(fā)不同的產(chǎn)品，并且在使用同一種硬件平臺的基礎上針對不同的空中接口標準來(lái)開(kāi)發(fā)自己不同的產(chǎn)品。SoftFone體系結構的可擴展性能夠集成與時(shí)俱進(jìn)的附加硬件模塊以支持新的應用，它可以通過(guò)嵌入式調試機制來(lái)為模塊化軟件提供結構化的支持。

圖2   SoftFone 體系結構


SoftFone體系結構基于RAM，它允許一個(gè)由軟件配置的硬件平臺，從而允許增加新的功能以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，同時(shí)能夠更新控制軟件以便跟上無(wú)線(xiàn)標準的演進(jìn)。因此，基于RAM的方法縮短了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。SoftFone體系結構的另外一個(gè)重要的特點(diǎn)是模塊化，它允許將DSP或者M(jìn)CU內核替換成更強大的處理器內核，并且可提供和增加新的外設接口。這種體系結構通過(guò)通用的統一的存儲器映射可以實(shí)現兩個(gè)處理器同時(shí)對所有外設以及片內和片外存儲器完全對等的訪(fǎng)問(wèn)。對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)總線(xiàn)仲裁器(BUS ARBITRATION MODULE)完成的，從而保證了能夠實(shí)現處理器內核的無(wú)縫互聯(lián)所必需的吞吐率。系統同時(shí)包括充足的高速緩存，以便對于要求實(shí)時(shí)性功能至關(guān)重要的應用場(chǎng)合從每個(gè)內核獲得盡可能最佳的性能。

圖3   SoftFone-LCR芯片組

對于超出DSP和MCU內核本身速度能力的專(zhuān)用高速操作需求可以通過(guò)集成在片內或者片外的協(xié)處理器來(lái)滿(mǎn)足要求。對于具有高級功能的Blackfin DSP內核，在用于無(wú)線(xiàn)手機應用(如游戲、WAP)的DSP內核中支持調制解調器功能(如均衡、信道編碼)和支持應用功能(例如音頻和視頻處理)的DSP應用以及在MCU內核中的協(xié)議棧編碼功能的傳統劃分方法都可以按照系統級進(jìn)行重新劃分以保證最終解決方案的有效實(shí)現。不同的最終產(chǎn)品應用需要不同的外設接口，這些接口將連接無(wú)數個(gè)可提供的外圍設備，包括照相機模塊、藍牙、輔助GPS以及許多其他外設。為了建立對多種外設接口的有效支持，SoftFone體系結構引入了一種軟件定義的外設接口--通用串行接口(GSP)。GSP可以通過(guò)微程序控制來(lái)支持多種串行接口，例如IrDA紅外接口和通用異步收發(fā)器(UART)。另外，該體系結構還為移動(dòng)媒體提供高分辨率彩色顯示、多媒體卡(MMC)和安全數字(SD)卡的專(zhuān)用接口。

SoftFone LCR芯片組提供了制造TD-SCDMA移動(dòng)電話(huà)所必需的全部關(guān)鍵功能。TD-SCDMA是3GPP TDD標準的低碼片速率(LCR)版本。該芯片包括基帶信號處理和控制、模擬接口功能和RF功能，為終端制造商提供了一種靈活的高集成度的平臺，使TD-SCDMA移動(dòng)電話(huà)設計能迅速上市并且保證低成本。

SoftFone LCR芯片建立在基于RAM的SoftFone體系結構基礎之上，包含基于Blackfin處理器的AD6901數字基帶處理器，從而達到250 MHz以上的性能并且通過(guò)Blackfin處理器的動(dòng)態(tài)電源管理功能實(shí)現極低功耗。芯片的基帶信號處理包括全部用軟件完成的結點(diǎn)檢測和解碼功能，允許終端制造商能夠快速方便的適應TD-SCDMA標準的演進(jìn)。該芯片組還包括AD6584模擬基帶和電源管理IC，它提供TD-SCDMA移動(dòng)電路所需要的全部數據轉換器(ADC和DAC)以及支持語(yǔ)音和立體聲音頻的音頻編解碼功能。AD6584還包含移動(dòng)電話(huà)必需的所有的穩壓器和一個(gè)蓄電池充電器。SoftFone LCR芯片組使用Othello-W直接變頻RF收發(fā)器，為T(mén)D-SCDMA或WCDMA移動(dòng)電話(huà)提供可靠的性能和靈活性。Othello-W工作在2 GHz頻帶，具有可編程信道帶寬、自動(dòng)校準DC偏移和濾波器截止頻率以及超過(guò)80 dB的增益范圍。SoftFone LCR芯片組還包含照相機、彩色顯示器、IrDA、USB以及SD/MMC接口，允許手機制造商為多模制造出帶有不同功能組合的多種設計方案。