3G時代的DSP技術(shù)應用
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關(guān)鍵詞：DSP 移動通信技術(shù) 軟件無線電
一 第三代移動通信技術(shù)對芯片的要求
近年來移動通信發(fā)展迅猛，自70年代末期模擬蜂窩系統(tǒng)問世以來，不到二十年時間，已經(jīng)發(fā)展到以數(shù)字化技術(shù)為特征的第二代移動通信，進入90年代以后，世界各國已著手探尋第三代移動通信（即未來個人通信）的實現(xiàn)路徑。
第三代移動通信標準有兩個主要目標：一是實現(xiàn)多媒體、寬帶化、智能化和高質(zhì)量的全球通信；二是規(guī)范尋呼、無繩、蜂窩和低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的多種標準，統(tǒng)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。
為完成以上兩個目標，同時針對前兩代的移動通信系統(tǒng)的特點和不足，對第三代移動通信系統(tǒng)提出了以下要求：
1.頻譜利用率高。其中第二代的GSM系統(tǒng)的頻帶利用率是第一代的TACS系統(tǒng)的頻帶利用率的兩倍，而到了第三代移動通信系統(tǒng)則要求達到TACS系統(tǒng)頻譜利用率的四倍。
2.可提供全球無縫覆蓋和漫游。就是要與已存在的第一代和第二代系統(tǒng)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(shè)備，如MSC，計費系統(tǒng)，智能平臺，與PSTN的接口，用戶數(shù)據(jù)庫等；能否重復使用第一代和第二代系統(tǒng)的無線接口協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議；能否實現(xiàn)兩代系統(tǒng)間的漫游和軟切換；能否實現(xiàn)在新系統(tǒng)上支持前兩代系統(tǒng)的業(yè)務；系統(tǒng)間頻譜的兼容性；等等。
3.可提供多種的業(yè)務。除提供窄帶業(yè)務外，也要提供第一代和第二代所不能提供的數(shù)據(jù)速率為2MBPS的語音(包括聲話碼)，傳真以及寬帶視頻等多媒體業(yè)務，這就存在著話音和圖象壓縮技術(shù)。
4.多種移動通信的融合。包括蜂窩、無繩、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等。要使得系統(tǒng)對每個無線接口的包容性最大，以便簡化多模移動終端的開發(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，要求其服務質(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(tǒng)配置、業(yè)務提供、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等均更合理、靈活、可與智能網(wǎng)相結(jié)合。
6.系統(tǒng)的起始配置小而簡單?？善交墸С諭MT2000以前系統(tǒng)的演進和過渡，移動終端便捷，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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第三代移動通信要求DSP至少達到300MIPS的運算速度，才能實現(xiàn)各種繁雜的算法、解壓縮和編譯碼。目前，DSP在功能上趨向?qū)崿F(xiàn)多個MAC和多個寄存器，更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線；在結(jié)構(gòu)上趨向采用SIMD、MIMD以及VLIW（超長指令）。第六代VLIW結(jié)構(gòu)的TMS320C67x DSP產(chǎn)品，浮點運算速度達到1GFLOPS。用一片C67x就可完成10片普通DSP的工作，但其單價與市面上普通浮點DSP的價格相當，C67x功能之強大，足以為下一代個人通信提供高速、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、第二代移動通信系統(tǒng)在運行，那么怎樣是第三代通信系統(tǒng)與前兩代相容，就成了一個技術(shù)難題。第一代模擬移動通信系統(tǒng)雖然在現(xiàn)在和未來都不是移動通信的發(fā)展主流，但是在全球的少數(shù)地區(qū)，例如北美的一些地區(qū)還將會存在；第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)在目前的市場占有率和普及率方面遠遠高于第一代和第三代，而且至少在未來的十年中將會與第三代系統(tǒng)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，這樣系統(tǒng)的兼容性將顯得非常主要。如果第三代專用芯片無法實現(xiàn)與第一代和第二代移動通信系統(tǒng)的兼容，那么第三代通信系統(tǒng)不但在初期的投入會很高，而且由于無法繼承和使用現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)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)務也是困難的，與軟件升級比較，硬件的升級在時間和投入上都是困難的。就目前的發(fā)展狀況而言，在各個領(lǐng)域和行業(yè)實現(xiàn)資源的共享和兼容，已成為一個明顯的趨勢。第三代移動通信系統(tǒng)的最終目標將是建成一個提供全球無縫覆蓋并能實現(xiàn)全球漫游通信的系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一目標，第三代移動通信在其實現(xiàn)方式上采用了軟件無線電技術(shù)，這可以有力的克服上述的各個困難。
二 DSP在移動通信中的適用性
DSP技術(shù)是隨著時代的進步迅速發(fā)展的，目前DSP領(lǐng)域出現(xiàn)了片內(nèi)集成多個處理器的新型DSP芯片，其結(jié)構(gòu)是將一個通用的CPU核與一個或多個專用的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?qū)崿F(xiàn)專門功能的ASIC芯片才能實現(xiàn)的各項功能。這是DSP技術(shù)向軟件無線電邁進的關(guān)鍵的一步。
在實際應用中，目前使用軟件無線電技術(shù)的基站系統(tǒng)中已經(jīng)采用多處理器的硬件結(jié)構(gòu)。目前先進的可編程DSP大約可提供數(shù)百到上千MOPS的運算速度。實時軟件無線電系統(tǒng)中基帶以下部分完全可由DSP實現(xiàn)。
因此，以DSP為核心的軟件無線電系統(tǒng)對3G通信具有極大的適用性。
典型的以DSP為核心的軟件無線電多信道的硬件平臺作為移動通信終端將體現(xiàn)出以下一些明顯的優(yōu)越性：
1.方便的可量測性：無論是兩個信道的基站還是上百個信道的基站都可以建立在相同基本設(shè)置的硬件上。這樣可以簡化設(shè)計過程，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，軟件無線電結(jié)構(gòu)與將每個DSP芯片專屬于每個信道的結(jié)構(gòu)比較，降低了單個信道的硬件耗費。
3.簡便的軟硬件升級性：當協(xié)議變動或是加入一個新特征時，只需要對新的軟件進行遠程下載。這樣同時也降低了維護和更新的費用。硬件的升級也是比較簡單，只需要將額外的插板插入底板中而不需要改變現(xiàn)存的設(shè)備。這從很大程度上降低了升級費用，減少了裝載時間和升級時所伴隨的風險。
4.用于任何無線協(xié)議的單一結(jié)構(gòu)：以DSP為核心的軟件無線電結(jié)構(gòu)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(tǒng)一的平臺，而不是針對一個特殊協(xié)議設(shè)計專門的平臺。這樣從很大的程度上降低了開發(fā)時間和邏輯分配的費用。
這種硬件平臺在第三代移動通信終端設(shè)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，無線本地環(huán)，擴頻，信號智能化，智能天線，衛(wèi)星通信等等。
三 2G時代技術(shù)的瓶頸限制
其實，DSP技術(shù)在2G時代就已經(jīng)開始應用。蜂窩電話的核心是一個DSP芯片。
所有第二代（2G）數(shù)字蜂窩電話都是基于雙處理器體系結(jié)構(gòu)的；即包含一個數(shù)字信號處理器（DSP）和一個簡單指令集計算機（RISC）微控制器（MCU）。其中，DSP用來實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器和通信協(xié)議棧中物理層協(xié)議的功能；而MCU則用來支持用戶操作界面，并實現(xiàn)通信協(xié)議棧中上層協(xié)議的各項功能。
在已有的2G手機市場中， TI公司生產(chǎn)的TMS320C54X系列DSP芯片占據(jù)了主導地位，65%的蜂窩電話采用了這類芯片。在時分多址（TDMA）模式手機中，DSP芯片負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的調(diào)制解調(diào)，利用編解碼實現(xiàn)傳輸誤碼糾正并維持通信鏈路的穩(wěn)定性，對數(shù)據(jù)進行加密、解密以保證通信的安全性，對話音數(shù)據(jù)進行壓縮和解壓縮。以后的碼分多址（CDMA）標準盡管會采用擴頻技術(shù)并由此產(chǎn)生碼片級數(shù)據(jù)速率，手機功能劃分的方案也會發(fā)生相應的變化；但是，DSP芯片仍然會是手機的關(guān)鍵部件。
在CDMA模式手機中，DSP芯片負責實現(xiàn)符號級功能，如前向糾錯、加密或語音壓縮和解壓縮。與此同時，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行調(diào)制解調(diào)及后處理。在早期的2G手機中，這些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片實現(xiàn)，其時鐘工作頻率大約為40MHz。在2.5G手機中，語音編碼芯片較以前更為復雜，數(shù)據(jù)速率進一步上升，DSP芯片的時鐘工作頻率也隨之上升到了超過100MHz。
數(shù)字技術(shù)的一大優(yōu)點，就是可以支持多種數(shù)據(jù)通信業(yè)務。然而，由于受到帶寬的制約，2G移動電話只能為用戶提供幾種相對簡單的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。在大多數(shù)數(shù)字移動通信標準中，最高的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)可以滿足最基本的數(shù)據(jù)應用的要求，如：瀏覽股票報價等；但是，為了實現(xiàn)包括互聯(lián)網(wǎng)接入在內(nèi)的高級業(yè)務，就必須提供更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。這就是2G移動通信標準向2.5G和3G移動通信標準轉(zhuǎn)變的根本動力。
四 DSP與3G技術(shù)的結(jié)合應用平臺
1．軟件無線電技術(shù)
在軟件無線電技術(shù)中，其核心就是采用一個通用的DSP硬件平臺并通過軟件的方式來實現(xiàn)第三代移動通信的目標。目前，由于微電子技術(shù)的限制，DSP芯片的處理能力尚無法完成中頻部分的處理，但是通過DDC下變頻之后，則是由DSP完成整個基帶部分的處理。
以下針對設(shè)計一個高靈敏度，寬邊帶的移動通信終端設(shè)備，將介紹一種典型的以DSP為核心的軟件無線電硬件平臺，其中該硬件平臺具有高級路由選擇特點和下一代的DSP芯片，這可以使得設(shè)計者為任何大小的基站設(shè)計能夠支持任何無線通信協(xié)議的軟件無線電。
?。?）網(wǎng)絡(luò)接口：
這個模塊提供外部接口。該外部接口既可以是一個標準接口，例如T1/E1；也可以是用戶自定義接口。
?。?）處理器模塊：
這個模塊采用通用的DSP芯片，該芯片經(jīng)過編程之后幾乎能夠處理各種類型的信號。這些需要在RF域和網(wǎng)絡(luò)域的數(shù)據(jù)(語音)比特中的I和Q之間翻譯表示的，處理的類型和數(shù)量是由用戶自定義的，其中I和Q為正交分量。
（3）采集和綜合模塊：
這個模塊是建立在模擬的RF域和處理器的數(shù)字基帶域之間的橋梁。在接收端，該模塊從RF模擬域接收一個寬邊帶信號，并將其通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字接收機處理這個數(shù)字化的寬邊帶信號，從中選擇單個的窄邊帶信道，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，通過多數(shù)字接收機來處理。
2．開放式多媒體應用平臺（OMAP）
開放式多媒體應用平臺（OMAP），是專門為支持2.5G和3G應用需求而設(shè)計的應用處理器體系結(jié)構(gòu)。此平臺的設(shè)計方案基于以下兩個基本假設(shè)：
在2.5G和3G產(chǎn)品中，應用將主要面向各種媒體，為了滿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(nèi)的多處理器平臺。OMAP是專為優(yōu)化多媒體應用性能而設(shè)計的，它可以提升任何支持語音、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(jié)構(gòu)框圖。其中的關(guān)鍵組件包括，一個性能卓越、低功耗的DSP，一個通用型MCU，以及一個內(nèi)存 & 流量控制器（MTC）。
其中：
（1）DSP/MCU處理
OMAP體系結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于，由兩個獨立的組件來完成應用處理任務。其中，MCU負責支持應用操作系統(tǒng)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(jié)構(gòu)方案相比，這種方案具有一個明顯的優(yōu)勢，即：可以提高功率效率，并延長用戶的電池壽命。首先，DSP芯片是專門為處理實時媒體信號（如：音頻、語音和圖像/視頻信號）而設(shè)計和定制的。其次，采用兩個處理器可以將總工作負荷進行合理劃分，從而降低時鐘工作頻率，減小功率消耗，進一步降低系統(tǒng)成本。OMAP DSP第二個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地提高系統(tǒng)性能和功率效率。
OMAP另外一個關(guān)鍵因素是軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它允許在MCU上運行的應用程序啟動和控制在DSP上運行的任務。因此，MCU應用程序開發(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(tǒng)都將支持這種軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中包括Microsoft公司的WinCE和Symbian公司的EPOC。
（2）內(nèi)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問外部存儲區(qū)，并避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)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/差錯、外部存儲區(qū)讀寫沖突、固有的存儲區(qū)等待時間等各種因素的影響，每秒鐘內(nèi)真正分配給特定應用的處理器運算周期數(shù)。為了優(yōu)化OMAP體系結(jié)構(gòu)，我們對處理器時鐘頻率、超高速緩沖存儲器、存儲器速度和數(shù)據(jù)總線寬度等參數(shù)進行了多元分析仿真，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，我們對MCU超高速緩沖存儲器進行了如下配置：
超高速指令緩沖存儲器： 16KB，雙向成組相聯(lián)；16B/線；
超高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器： 8KB，雙向成組相聯(lián)；16B/線；
仿真結(jié)果表明，采用這種結(jié)構(gòu)時，超高速指令緩沖存儲器的差錯概率為3.4%，而超高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器的差錯概率為9%。同樣，我們利用GSM語音編碼器基準對DSP超高速緩沖存儲器進行了類似的分析。超高速緩沖存儲器尤其適用于DSP代碼，因為DSP多數(shù)操作是較短的、緊密的循環(huán)操作。分析結(jié)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16字節(jié)。仿真表明，采用這種結(jié)構(gòu)時，DSP指令差錯概率為1%。
五 越來越明朗的3G應用前景
目前，手機是一個封閉的、靜態(tài)的、嵌入式系統(tǒng)的完美范例。其功能在生產(chǎn)過程中就已經(jīng)確定了。盡管手機也可以支持話音業(yè)務以外的簡單應用（例如，基于文本的信息服務），但是，它的主要目的是為用戶建立一個話音通信信道--這是一個固定的、實時的、集中的DSP任務。未來的移動電話市場可能會發(fā)生分化。傳統(tǒng)的、以話音業(yè)務為主的移動電話將有可能繼續(xù)占有一定的市場份額；另一方面，市場中將出現(xiàn)混合式移動通信設(shè)備，其調(diào)制解調(diào)器通信功能是不可或缺的，此類手機將應用于一種或多種數(shù)據(jù)應用。 可以預測，隨著互聯(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MP3播放器應用程序；明天，手機就有可能支持電視會議，或者變?yōu)镚PS輔助導航儀。從某種意義上說，手機將具有類似于個人計算機的特性。它將變?yōu)橐粋€應用平臺。
應用的要求可能是無止境的。因此，DSP技術(shù)在移動通信中仍然具有無限廣闊的應用與發(fā)展空間。
（1）多芯片共行?；鶐SP資源必須同時支持實時通信和用戶交互式多媒體應用。因此，為了處理更大的數(shù)據(jù)帶寬和專用DSP功能（如：語音識別、音頻解壓縮、圖像/視頻編解碼），系統(tǒng)將極大地增加對DSP芯片MIPS（每秒執(zhí)行兆指令數(shù)）的消耗，從2G或2.5G手機的50-100MIPS增長到500MIPS以上。由于實現(xiàn)通信調(diào)制解調(diào)器和動態(tài)應用平臺時，對處理器MIPS負荷和環(huán)境的需求不同，未來的手機可能會采用多個DSP芯片 --一個DSP芯片用來實現(xiàn)固定功能，嵌入式調(diào)制解調(diào)器；另外一個更加靈活的DSP芯片用來實現(xiàn)各種應用。
（2）通用處理。在未來的手機中，為了支持各種可下載應用，3G應用DSP的體系結(jié)構(gòu)和軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會不斷變化。此時，DSP將不再像一個固定的功能或嵌入式處理器。它將開始呈現(xiàn)出許多類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(nèi)存管理單元等功能。而且，為了實現(xiàn)動態(tài)任務管理，它還需要一個實時操作系統(tǒng)。
DSP芯片作為一個具有諸多優(yōu)點的通用硬件芯片，還能滿足未來的發(fā)展需要。并且，在多種體制并存的時代里，由于以DSP為核心的通用硬件平臺，可以通過不同的軟件加載的方式來實現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP的處理速度將會不斷的提高，其在第三代移動通信中的應用范圍也將越來越廣泛。
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