4G數據機邁向彈性化

在4G無(wú)線(xiàn)基頻的演進(jìn)中，目前仍有兩大技術(shù)陣營(yíng)競逐領(lǐng)導地位，亦即長(cháng)期演進(jìn)(LTE)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)。雖然兩大陣營(yíng)的技術(shù)應用領(lǐng)域有其重疊之處，但就其發(fā)展過(guò)程而言，兩者還是有些許差異。

例如WiMAX的主要定位是為各種運算裝置提供無(wú)線(xiàn)寬頻存取，亦是機器對機器(M2M)通訊應用的首選技術(shù)。此外，為有線(xiàn)寬頻尚未成熟的地區提供固定式的無(wú)線(xiàn)連線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，也是其一大應用市場(chǎng)。相較之下，LTE則與全球無(wú)線(xiàn)通訊系統(GSM)一脈相傳，以為手機提供寬頻接取為其主要應用目標。

除了應用目標有所差異外，兩種技術(shù)的支持廠(chǎng)商也有顯著(zhù)不同。 WiMAX的主要支持者為英特爾(Intel)與其他資通訊產(chǎn)業(yè)大廠(chǎng)所領(lǐng)導的WiMAX論壇，LTE的支持者則主要來(lái)自手機產(chǎn)業(yè)鏈，包括高通 (Qualcomm)、意法-易利信(ST-Ericsson )、威瑞森(Verizon)、沃達豐(Vodafone)等在內的眾多基頻原始設備制造商(OEM)和電信業(yè)者。

多模共存勢在必行基頻設計考驗加劇

雖然目前對于第四代無(wú)線(xiàn)通訊(4G)江山誰(shuí)屬的討論，支持LTE的聲浪已日益高漲，但由于兩者的應用目標仍有部分未重疊的市場(chǎng)，因此最終結果極有可能是兩者共存，在不同地區服務(wù)不同的用戶(hù)群。為了確保兩個(gè)標準都為4G數據機所支援，市場(chǎng)便需要一種能夠同時(shí)滿(mǎn)足在兩種技術(shù)發(fā)展藍圖的靈活解決方案。

移動(dòng)數據機的發(fā)展所面對的限制，不單限于越來(lái)越復雜無(wú)線(xiàn)標準。今天的智慧型電話(huà)必須支援多個(gè)無(wú)線(xiàn)介面。除WiMAX和LTE之外，4G 移動(dòng)設備還須支援大量無(wú)線(xiàn)介面，如GSM、整體封包無(wú)線(xiàn)電服務(wù)(GPRS)、增強數據率GSM演進(jìn)(EDGE)、寬頻分碼多重存取(WCMDA)、高速封包存取(HSPA)和最新推出的強化版高速封包存取(HSPA+)等。對數據機芯片供應商而言，這些主流標準都是必須支援的標準項目。

由于無(wú)線(xiàn)基頻市場(chǎng)的未來(lái)不可預見(jiàn)，芯片供應商所面臨的環(huán)境十分嚴酷。日益高昂的芯片開(kāi)發(fā)成本和標準本身仍持續演變的現實(shí)，均使終端數據機的傳統硬體線(xiàn)路設計方法要面對更大的風(fēng)險。譬如供應商可能押錯寶，使得芯片瞄準錯誤的標準，最終導致解決方案在發(fā)表之前就慘遭淘汰。更重要的是，硬體線(xiàn)路很難在不進(jìn)行大量設計變更的前提下支援所有標準，故其成本高昂、體積笨重且功耗大。

這自然催生了具有足夠靈活性，支援多個(gè)標準并能縮短開(kāi)發(fā)周期的可編程解決方案的需求。

混合式/SDR架構將成主流

雖然如此，在新一代移動(dòng)基頻芯片的設計中，硬體線(xiàn)路方案還是三大主流之一，因為這種方案具備可讓首批芯片快速上市的優(yōu)勢。此外，針對某個(gè)特定標準而設計的硬體，通?？纱_保最低功耗。但由于缺乏靈活性，也不能因應標準更新做出快速的反應，因此提供另兩種方案崛起的機會(huì )。

目前移動(dòng)寬頻數據機芯片市場(chǎng)上，為了解決純硬體方案彈性不足的缺點(diǎn)，已發(fā)展出混合式方案和軟體定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)兩種以彈性見(jiàn)長(cháng)的設計方式?；旌鲜郊軜嬍菍⒂搀w線(xiàn)路設計與可程式設計處理器結合在一起，數據機中須保持設計彈性的部分，以嵌入式數位訊號處理器(DSP)核心和軟體演算法來(lái)實(shí)現。只有運算密集和靈活性較小的數據機部分，如傅立葉變換(FFT)，才利用硬體線(xiàn)路的作法來(lái)實(shí)現。

軟體定義無(wú)線(xiàn)電則是一種完全的「軟體數據機」實(shí)現方案，可在同一塊芯片上以軟體同時(shí)支援多個(gè)無(wú)線(xiàn)標準。這種方案采用完全可編程設計解決方案，具有全面的靈活性，能夠處理多個(gè)現有或未來(lái)的標準，而毋須對芯片進(jìn)行重新設計。然而這類(lèi)方案并非十全十美，其主要問(wèn)題在于，和所支援標準而優(yōu)化的硬體線(xiàn)路方案相比，軟體定義無(wú)線(xiàn)電芯片的設計工作較復雜，功耗通常也較硬體線(xiàn)路方案高，因此若要采取軟體無(wú)線(xiàn)電來(lái)開(kāi)發(fā)數據機芯片，則低功耗與簡(jiǎn)化設計將是兩大重點(diǎn)。

由于采用純硬體方案存在高風(fēng)險性，無(wú)法滿(mǎn)足當前不可預測的市場(chǎng)需求，所以現階段大多數供應商不太可能選擇完全硬體化的設計架構。因此，在新一代移動(dòng)寬頻數據機芯片市場(chǎng)上，后兩種可編程設計方案才是各家供應商選用的主流開(kāi)發(fā)策略。

高性能DSP核心扮演關(guān)鍵角色

為了在新一代移動(dòng)寬頻數據機芯片中保持一定彈性，高效能的通用型DSP核心所扮演的角色，將日益吃重。目前在各種移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)應用中的數據機芯片已內建數量不等的DSP核心。這類(lèi)高效能DSP核心均采用混合了超長(cháng)指令集(VLIW)和單指令多資料(SIMD)架構的混合式架構。

VLIW允許以高階語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)撰寫(xiě)的程式碼進(jìn)行平行指令處理，從而提供更佳的平行運算能力，并有助降低芯片的功耗。以高階C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程式設計，可大幅減少研發(fā)團隊的設計時(shí)間，并降低開(kāi)發(fā)成本，縮短上市時(shí)間。圖1為此類(lèi)DSP核心的典型功能方塊圖。

圖1　可支援VLIW和SIMD的混合式DSP核心功能方塊圖

以CEVA-X1641的DSP核心為例，這是一款具備四個(gè)乘累加器(MAC)單元的嵌入式DSP，由四個(gè)資料寬度為16位元的MAC單元組成。若芯片制造商以65奈米制程來(lái)實(shí)現此一核心，即便是在最差的條件下，該核心的運行時(shí)脈也能高達700MHz。

這種高性能且易于使用的DSP針對移動(dòng)數據機系統單芯片(SoC)提供多個(gè)軟硬體分區。不同的基頻客戶(hù)能在自己的數據機設計中，采用從單核心到多核心的不同實(shí)現方案和分區，并結合不同的硬體加速器來(lái)完成數據機功能。

SDR設計考驗DSP核心

除了前文所提的混合式架構外，目前業(yè)界也開(kāi)始出現軟體定義無(wú)線(xiàn)電概念的實(shí)作芯片方案。如果要開(kāi)發(fā)出在功耗、成本、尺寸等各個(gè)面向上均具備市場(chǎng)競爭力的軟體定義無(wú)線(xiàn)電數據機，則必須更小心地評估其所采用的DSP核心。因為在此架構下，數據機的所有核心功能都是透過(guò)DSP和軟體演算法來(lái)實(shí)現的。

若選擇軟體定義無(wú)線(xiàn)電架構，其芯片所采用的DSP核心通常必須針對先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通訊而設計與最佳化，以確保其運算能力可以支援各種不同移動(dòng)寬頻標準。

目前在DSP核心授權市場(chǎng)上，已有足堪擔此重任的DSP核心問(wèn)世，可支援要求最嚴苛的4G移動(dòng)標準如第五類(lèi)LTE(LTE Cat. 5)和IEEE 802.16m，而且也能同時(shí)兼容現有的3G與3.5G無(wú)線(xiàn)通訊標準。也唯有采用能滿(mǎn)足上述標準所立下的效能門(mén)檻的DSP核心，芯片供應商才能同時(shí)在單一架構中支援多種無(wú)線(xiàn)介面，實(shí)現真正的軟體式數據機。

這類(lèi)DSP核心是以單一引擎來(lái)完成所有無(wú)線(xiàn)處理工作，毋須仰賴(lài)多顆基頻輔助處理器。對于軟體定義無(wú)線(xiàn)電數據機的商品化而言，至關(guān)重要，因為以往的軟體定義無(wú)線(xiàn)電方案通常是以一顆主DSP芯片搭配基頻輔助處理器的方式實(shí)現。

這類(lèi)分散式架構除采用多顆處理器外，還必須采用額外的記憶體、資料緩沖器等元件，因此整個(gè)系統的功耗和尺寸相當可觀(guān)，成本亦過(guò)于高昂。

事實(shí)上，軟體無(wú)線(xiàn)電架構以往只有軍事或航太通訊產(chǎn)品采用，與系統尺寸過(guò)大、功耗太高、價(jià)格高昂這三項因素有密不可分的關(guān)系。若軟體定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)要應用在移動(dòng)數據機等消費性市場(chǎng)上，勢必要設法妥善解決這三大難題。

為了解決上述三大缺陷，專(zhuān)為軟體定義無(wú)線(xiàn)電通訊應用所設計和最佳化的DSP核心中，除了部分DSP功能區塊外，還整合了數量不等的向量通訊單元(Vector Communications Unit)。每個(gè)向量單元是一個(gè)256位元SIMD引擎，采用三路VLIW和大量16位元MAC、演算法、邏輯及位移單元。

透過(guò)這些向量通訊單元的幫助，這些特殊化的DSP核心可以滿(mǎn)足4G無(wú)線(xiàn)數據機的要求，包括矩陣處理、多重輸入多重輸出(MIMO)檢測器、復雜濾波、資料交換和位元流處理。圖2為內建向量通訊單元的DSP核心功能方塊圖。

圖2　專(zhuān)為SDR所設計的DSP核新功能方塊圖

彈性化設計勢在必行

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)業(yè)朝向4G發(fā)展，因開(kāi)發(fā)成本和多個(gè)變化標準的問(wèn)題，使傳統以硬體線(xiàn)路為基礎的設計方案的風(fēng)險大增。所以，設計一個(gè)能夠迅速適應不斷變化的標準，并可在多代產(chǎn)品上重復使用的靈活解決方案至關(guān)重要。

以混合式方案或全軟體式數據機為基礎的可編程設計解決方案，正式因應此一趨勢而誕生的產(chǎn)物?？删幊谭桨改茏屧O計團隊輕松地套用先前所完成的設計，并確保產(chǎn)品能快速上市。

無(wú)線(xiàn)基頻領(lǐng)導廠(chǎng)商早已認可轉向可程式設計解決方案的發(fā)展趨勢，而投入DSP架構標準化的工作。在DSP核心標準化后，芯片廠(chǎng)商可以更輕松地根據其系統架構和靈活性水準選擇正確的DSP核心。而且，最新的節能和制程幾何尺寸縮小技術(shù)，也使得這些可編程設計方案漸漸成為多種應用中實(shí)現4G方案的首選方法。