下一代無線終端的體系結(jié)構(gòu)

中國已經(jīng)成為移動(dòng)終端的最大市場(chǎng)，但還有相當(dāng)多的人沒有選擇無線服務(wù)，因此預(yù)期市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。市場(chǎng)的增長(zhǎng)會(huì)有兩種推動(dòng)力：首先，很大一部分尤其是農(nóng)村用戶將從開發(fā)低成本手機(jī)中獲益。這些入門級(jí)的手機(jī)主要用來通話，雖然功能有限，但是會(huì)使更多的人從移動(dòng)電話中得到好處。實(shí)際上，在一些有線通信服務(wù)受限制的地區(qū)，很多潛在的用戶會(huì)選擇移動(dòng)服務(wù)來代替有線服務(wù)。另外，一旦3G許可證發(fā)放給運(yùn)營商，在這些新的高速率網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)出現(xiàn)新的服務(wù)，驅(qū)使現(xiàn)有的移動(dòng)用戶來升級(jí)他們的手機(jī)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(jī)目前是在中國制造的，國內(nèi)制造商已經(jīng)占領(lǐng)了相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。這些制造商的進(jìn)一步發(fā)展將來自于繼續(xù)擴(kuò)展國內(nèi)的市場(chǎng)，以及增加對(duì)海外市場(chǎng)的出口。為了適應(yīng)市場(chǎng)條件的變化以及消費(fèi)者對(duì)新功能和多頻段、多模式操作手機(jī)的需求，就需要降低成本和縮短開發(fā)新產(chǎn)品的時(shí)間。為了滿足對(duì)這種需求的支持，芯片供應(yīng)商經(jīng)常提供參考設(shè)計(jì)以使手持產(chǎn)品的快速開發(fā)。一種典型的3G手機(jī)的參考設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1  ADI公司為TD-SCDMA手機(jī)開發(fā)的SoftFone-LCR參考設(shè)計(jì)

無線手持設(shè)備的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是在強(qiáng)調(diào)全球通用性、尺寸和功耗、易生產(chǎn)和易升級(jí)的同時(shí)，還要包含一系列用戶設(shè)備(UE)的功能，如電話、PDA、高級(jí)音頻和視頻服務(wù)以及許多新的構(gòu)想。對(duì)于新一代手機(jī)，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(jī)內(nèi)必須同時(shí)存在GSM/GPRS和TD-SCDMA調(diào)制解調(diào)器。另外，我們經(jīng)常會(huì)面對(duì)多種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和無線連接標(biāo)準(zhǔn)共存的情況，例如Wi-Fi、UMA、Bluetooth，這些標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)備單元，而且還可能通過下載可執(zhí)行的程序來執(zhí)行任何應(yīng)用層的功能。實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)是：有效地劃分將要提供的UE系統(tǒng)功能，獲得支持的高效系統(tǒng)芯片(SoC)的實(shí)現(xiàn)，靈活的和可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。

然而，不論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)角度來看，移動(dòng)終端的現(xiàn)狀都極大地限制了我們接近這個(gè)目標(biāo)的程度。最早的經(jīng)濟(jì)可行的多模解決方案都依賴于可擴(kuò)展的單模方案，實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)封裝內(nèi)兩個(gè)很大程度上獨(dú)立的設(shè)計(jì)組成。完全可編程UE的概念將按照一系列步驟逐步演進(jìn)，從可選擇硬件開始，發(fā)展到可重新配置硬件，或許在將來發(fā)展到某一時(shí)候達(dá)到完全由軟件實(shí)現(xiàn)的可重新配置。在這個(gè)轉(zhuǎn)變的過程中，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(xiàn)這種轉(zhuǎn)變?nèi)缗c信道和語音編碼相關(guān)的功能，然而其他的功能則需要一個(gè)緩慢的轉(zhuǎn)變過程如RF和混合信號(hào)功能。

無線手機(jī)體系結(jié)構(gòu)—基帶平臺(tái)

數(shù)字基帶(DBB)平臺(tái)以其最高程度的可編程性成為了無線手機(jī)的關(guān)鍵組成。針對(duì)不同的UE結(jié)構(gòu)和集成度，DBB包含一系列完整的可能帶有片內(nèi)集成的混合信號(hào)(數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及許多的輔助和語音頻帶轉(zhuǎn)換器)的基帶處理功能。用于無線通信的DBB結(jié)構(gòu)通常依靠多內(nèi)核平臺(tái)，包括可編程DSP和MCU內(nèi)核以及針對(duì)特定無線標(biāo)準(zhǔn)的專用硬件功能模塊(加速器和協(xié)處理器)和大容量?jī)?nèi)置存儲(chǔ)器。專用硬件通常包括超過目前DSP內(nèi)核為手機(jī)集成可提供的一些需要高速和復(fù)雜性操作的處理單元，略舉幾例，碼片速率處理(如RAKE接收機(jī))、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(jié)構(gòu)的核心。為無線終端設(shè)計(jì)的DSP提供了多模操作的許多優(yōu)勢(shì)，包括DSP執(zhí)行面向控制任務(wù)的能力、高速運(yùn)算能力、快速增加的存儲(chǔ)容量和I/O帶寬(片內(nèi)存儲(chǔ)器和用于片外存儲(chǔ)器的接口)、保證DSP系統(tǒng)性能的快速中斷響應(yīng)次數(shù)和改進(jìn)的電源管理功能。過去幾年內(nèi)，信道編碼和語音編碼中的許多功能已經(jīng)從硬連線的ASIC實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)變?yōu)樵贒SP中執(zhí)行的軟件實(shí)現(xiàn)。我們期望能夠利用DSP的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)以及半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使這種趨勢(shì)繼續(xù)快速發(fā)展。

這種發(fā)展路線已經(jīng)在新的無線標(biāo)準(zhǔn)中得到印證，如中國部分地區(qū)的EDGE(改進(jìn)數(shù)據(jù)速率GSM服務(wù))，DSP對(duì)信道編碼和均衡所需要的計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GSM/GPRS的要求。高級(jí)DBB平臺(tái)得益于諸如Blackfin處理器內(nèi)核，它能夠通過提供支持大多數(shù)信道均衡算法(如濾波和柵格譯碼)的指令集而完全通過軟件方式來處理這些新的問題。展望3G標(biāo)準(zhǔn)，DBB平臺(tái)除了需要更加復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)功能之外，還有新類型業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)，例如視頻業(yè)務(wù)。Blackfin處理器內(nèi)核的處理能力使其不僅在SoC中而且能夠在軟件平臺(tái)中充分利用其創(chuàng)新的體系結(jié)構(gòu)完全用軟件方法實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA的終端設(shè)備。

SoC復(fù)雜性和功能性發(fā)展趨勢(shì)

如前所述，高效SoC的實(shí)現(xiàn)是推動(dòng)多模手機(jī)的集成朝著低成本解決方案發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上可提供的解決方案涵蓋整個(gè)IC種類，主要?jiǎng)澐指鶕?jù)如下：芯片組的劃分，DBB體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)作用，半導(dǎo)體技術(shù)的可用性，通信功能和應(yīng)用功能的劃分。芯片組的劃分很大程度上取決于不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域(例如RF、混合信號(hào)和DBB技術(shù))供應(yīng)商的技術(shù)能力。大多數(shù)的芯片組的劃分是根據(jù)制造工藝，通常將RF收發(fā)器劃分為一顆獨(dú)立于混合信號(hào)和DBB的芯片，而且通常選用不同的工藝以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)中利用了增強(qiáng)型數(shù)字方法。這種單芯片解決方案(通常仍然需要單獨(dú)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(jié)構(gòu)角度來說，在靈活性程度和集成度之間總是存在一個(gè)折衷問題。

由于多模終端的需求，對(duì)復(fù)雜度已經(jīng)相當(dāng)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(shù)字功能幾乎不影響其成本，通常主要取決于片內(nèi)存儲(chǔ)器的尺寸?，F(xiàn)在很常見到幾百萬邏輯門的DBB設(shè)計(jì)，它們能支持雙模通信功能和其他應(yīng)用功能。通信功能和應(yīng)用功能的化分也導(dǎo)致了不同SoC實(shí)現(xiàn)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(yīng)用功能)到通信處理器和應(yīng)用處理器的物理上化分。

雖然SoC為加快設(shè)計(jì)周期提供了“必要”條件，但是重要的是應(yīng)該強(qiáng)調(diào)軟件的穩(wěn)定性和完備性帶來的“充分”條件。軟件設(shè)計(jì)的效率會(huì)直接影響到無線終端的成本和功耗，而一種結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法能夠使復(fù)雜的無線型通信認(rèn)證和互用性測(cè)試的支持和維護(hù)變得更容易。

SoftFone數(shù)字基帶體系結(jié)構(gòu)

從對(duì)復(fù)雜SoC的系統(tǒng)劃分和支持的全視角來看SoftFone體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的例子。該體系結(jié)構(gòu)的靈活性使得終端設(shè)備商可以開發(fā)不同的產(chǎn)品，并且在使用同一種硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上針對(duì)不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)自己不同的產(chǎn)品。SoftFone體系結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)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(yīng)用，它可以通過嵌入式調(diào)試機(jī)制來為模塊化軟件提供結(jié)構(gòu)化的支持。

圖2   SoftFone 體系結(jié)構(gòu)


SoftFone體系結(jié)構(gòu)基于RAM，它允許一個(gè)由軟件配置的硬件平臺(tái)，從而允許增加新的功能以滿足市場(chǎng)需求，同時(shí)能夠更新控制軟件以便跟上無線標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(nèi)核替換成更強(qiáng)大的處理器內(nèi)核，并且可提供和增加新的外設(shè)接口。這種體系結(jié)構(gòu)通過通用的統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)處理器同時(shí)對(duì)所有外設(shè)以及片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器完全對(duì)等的訪問。對(duì)存儲(chǔ)器的訪問是通過總線仲裁器(BUS ARBITRATION MODULE)完成的，從而保證了能夠?qū)崿F(xiàn)處理器內(nèi)核的無縫互聯(lián)所必需的吞吐率。系統(tǒng)同時(shí)包括充足的高速緩存，以便對(duì)于要求實(shí)時(shí)性功能至關(guān)重要的應(yīng)用場(chǎng)合從每個(gè)內(nèi)核獲得盡可能最佳的性能。

圖3   SoftFone-LCR芯片組

對(duì)于超出DSP和MCU內(nèi)核本身速度能力的專用高速操作需求可以通過集成在片內(nèi)或者片外的協(xié)處理器來滿足要求。對(duì)于具有高級(jí)功能的Blackfin DSP內(nèi)核，在用于無線手機(jī)應(yīng)用(如游戲、WAP)的DSP內(nèi)核中支持調(diào)制解調(diào)器功能(如均衡、信道編碼)和支持應(yīng)用功能(例如音頻和視頻處理)的DSP應(yīng)用以及在MCU內(nèi)核中的協(xié)議棧編碼功能的傳統(tǒng)劃分方法都可以按照系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行重新劃分以保證最終解決方案的有效實(shí)現(xiàn)。不同的最終產(chǎn)品應(yīng)用需要不同的外設(shè)接口，這些接口將連接無數(shù)個(gè)可提供的外圍設(shè)備，包括照相機(jī)模塊、藍(lán)牙、輔助GPS以及許多其他外設(shè)。為了建立對(duì)多種外設(shè)接口的有效支持，SoftFone體系結(jié)構(gòu)引入了一種軟件定義的外設(shè)接口--通用串行接口(GSP)。GSP可以通過微程序控制來支持多種串行接口，例如IrDA紅外接口和通用異步收發(fā)器(UART)。另外，該體系結(jié)構(gòu)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(shù)字(SD)卡的專用接口。

SoftFone LCR芯片組提供了制造TD-SCDMA移動(dòng)電話所必需的全部關(guān)鍵功能。TD-SCDMA是3GPP TDD標(biāo)準(zhǔn)的低碼片速率(LCR)版本。該芯片包括基帶信號(hào)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(tái)，使TD-SCDMA移動(dòng)電話設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，包含基于Blackfin處理器的AD6901數(shù)字基帶處理器，從而達(dá)到250 MHz以上的性能并且通過Blackfin處理器的動(dòng)態(tài)電源管理功能實(shí)現(xiàn)極低功耗。芯片的基帶信號(hào)處理包括全部用軟件完成的結(jié)點(diǎn)檢測(cè)和解碼功能，允許終端制造商能夠快速方便的適應(yīng)TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)以及支持語音和立體聲音頻的音頻編解碼功能。AD6584還包含移動(dòng)電話必需的所有的穩(wěn)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TD-SCDMA或WCDMA移動(dòng)電話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(zhǔn)DC偏移和濾波器截止頻率以及超過80 dB的增益范圍。SoftFone LCR芯片組還包含照相機(jī)、彩色顯示器、IrDA、USB以及SD/MMC接口，允許手機(jī)制造商為多模制造出帶有不同功能組合的多種設(shè)計(jì)方案。