如何為多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可編程基帶設(shè)備

如何為多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可編程基帶設(shè)備

2008年兩個(gè)重要的專門術(shù)語(yǔ) - 移動(dòng)性和匯聚性 - 正在以多種方式對(duì)無(wú)線產(chǎn)業(yè)界施加影響。

客戶需要無(wú)論在哪里都能聯(lián)絡(luò)，并且享受盡可能快的連接速率，從客戶到滿足客戶要求的多種正在形成的4G標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)人員的眼中，由于要做出一個(gè)選擇能適合于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的所有部分，以致很難評(píng)估出完美的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)何種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

盡管面向4G的關(guān)于空時(shí)分集，空分復(fù)用，波束成形，CDMA與OFDMA . HSPA, LTE, WiMAX, 和IMT-advanced的驅(qū)動(dòng)器能共存，就如同802.11g/b/n，但收發(fā)器不同的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的差別正在變大。
與此同時(shí)，通過(guò)不同的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn) —DVB-T/H, ISDB-T, DMB-T, T-DMB 和DAB，各國(guó)紛紛樹(shù)立起壁壘，且正在為使其成為當(dāng)?shù)刈罱K的協(xié)議而戰(zhàn)。結(jié)果是不可避免(終端)將有多個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，依賴于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)所處的場(chǎng)合(見(jiàn)圖1)。

圖1：如圖示中中間的部分所示，不同標(biāo)準(zhǔn)的匯聚性將導(dǎo)致它們需要被用在許多相異的應(yīng)用中。

移動(dòng)性和匯聚性有這樣的要求，即日常中用戶可能會(huì)穿越不同的通訊環(huán)境，為了保持與媒體服務(wù)器的連接，能夠在不同的協(xié)議中切換 --- 換句話說(shuō)，就是能夠支持多模。

多模的要求

如此看來(lái)，基帶處理器被要求能夠支持幾種不同的模式，且有能力在它們之間切換。在半導(dǎo)體設(shè)備這一級(jí)，意味著制造商能實(shí)現(xiàn)一個(gè)可編程解決方案，在理想情況下整合成主應(yīng)用處理器，由其創(chuàng)造一個(gè)新的增值設(shè)備途徑，這遠(yuǎn)超出了目前通訊設(shè)備的認(rèn)識(shí)范疇。

典型的基帶處理解決方案已經(jīng)著眼于定位多種標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器需求的挑戰(zhàn)，它們通過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)充能更好的操控額外的數(shù)據(jù)處理的能力來(lái)完成。

這種設(shè)計(jì)的主要缺陷是僅僅試圖操作額外的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，而沒(méi)有關(guān)注這些額外的數(shù)據(jù)流是如何通過(guò)系統(tǒng)的 - 或者更糟糕的是，怎樣才能真正的為它編程。

但是，隨著每一代通訊標(biāo)準(zhǔn)的沿革，基帶處理越來(lái)越復(fù)雜，而且需要支持越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)于一個(gè)基帶設(shè)備上，只是通過(guò)單純的擴(kuò)大設(shè)備的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)不可行。這么做會(huì)增加功耗，也影響了電池的壽命。

傳統(tǒng)的可編程基帶方案只是專注于數(shù)據(jù)處理的改善，而疏漏了解決方案的數(shù)據(jù)吞吐和編程能力所產(chǎn)生的重要影響。

因?yàn)橐恢蔽茨艽_認(rèn)設(shè)計(jì)真實(shí)的瓶頸，這樣的系統(tǒng)將終結(jié)于遠(yuǎn)超過(guò)所需的復(fù)雜性。這樣的復(fù)雜性最終減少了電池的壽命，當(dāng)設(shè)備被用于移動(dòng)時(shí)，這似乎是不易覺(jué)察的 (盡管擁有3G手機(jī)的用戶知道這是當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)情況)；4G標(biāo)準(zhǔn)甚至更加的復(fù)雜，如果沒(méi)有什么改變，情況只會(huì)變得更壞。

新的途徑

有沒(méi)有可能使用不同的途徑來(lái)應(yīng)對(duì)多模和可編程的挑戰(zhàn)？答案是有，假如所有的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)流以及編程效率能夠被一個(gè)單一的架構(gòu)解決，以提供機(jī)動(dòng)性同時(shí)促使功耗達(dá)到優(yōu)化，并且最小化實(shí)施時(shí)間和成本。

一個(gè)新的處理架構(gòu)已經(jīng)被一家瑞典的公司， Coresonic AB開(kāi)發(fā)出來(lái)，新的架構(gòu)提供一種能克服傳統(tǒng)DSP架構(gòu)局限性的可編程基帶解決方案。

通過(guò)如此的方式，它僅僅專注于數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，且迎合手持式設(shè)備的成本與功耗的要求，由IP來(lái)傳送數(shù)據(jù)，這樣能與別的公司設(shè)備集成在一起提供引人注目的增值產(chǎn)品。

新架構(gòu)，被稱作單指令多任務(wù)(SIMT)，能夠達(dá)到超長(zhǎng)指令字架構(gòu)所擁有的性能，但只需較低的控制開(kāi)銷，和更低的程序與內(nèi)存用量。其指令集被優(yōu)化用于基帶處理任務(wù)，能顯著的減少固件代碼尺寸，即使對(duì)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)也一樣。

小心的選擇一些不合適軟件完成的操作通過(guò)硬件加速是可以被所述架構(gòu)所容納的，不但可以得到非常有效的運(yùn)行，而且仍能保證足夠的靈活性以致硬件在不同的標(biāo)準(zhǔn)間得到復(fù)用。

一個(gè)創(chuàng)新的互聯(lián)方案和內(nèi)存架構(gòu)能容納高度的并行性，還有在處理器內(nèi)核，內(nèi)存，加速芯片和I/O接口之間高效的通訊，以及最小化數(shù)據(jù)內(nèi)存需求和高效的內(nèi)存訪問(wèn)。

可編程解決方案為達(dá)到效果，需要在各功能的靈活性與性能間尋求折中。調(diào)制解調(diào)器需要基帶處理高度的靈活性，但FEC(前向糾錯(cuò))和數(shù)字前端處理通常更合適使用具有較低靈活性的加速器模塊。為了得到基帶處理中所要求的高運(yùn)算能力，需要使用超長(zhǎng)指令字(VLIW)和單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)架構(gòu)。

基于VLIW架構(gòu)的缺陷是其低效的功率應(yīng)用，這是因?yàn)閷捴噶钚枰诿總€(gè)時(shí)鐘周期被取出。另一方面，基于純SIMD的DSP缺乏完成不同的并行運(yùn)算的可能性，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)通道的低利用率。

SMIT架構(gòu)

SIMT架構(gòu)利用基帶算法的特性，比基于VLIW/SIMD架構(gòu)的基帶處理器減少了控制方面的開(kāi)銷，并且增強(qiáng)了內(nèi)存的利用率。

處理器架構(gòu)使用向量指令，在SIMD執(zhí)行單元中操作大數(shù)據(jù)集。關(guān)鍵是做到每個(gè)時(shí)鐘周期僅有一條指令執(zhí)行，但允許并行執(zhí)行若干個(gè)操作，如同向量指令可以在SIMD單元上持續(xù)運(yùn)行數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期。

這種方法導(dǎo)致一定程度的等效于VLIW處理器的并行性，卻無(wú)需因?yàn)樾枰嫶蟮目刂仆ǖ浪鶐?lái)的開(kāi)銷。調(diào)制解調(diào)器很大程度上，由在巨大的向量型數(shù)據(jù)上所執(zhí)行的操作組成，用于獲得一個(gè)擁有高利用率低開(kāi)銷運(yùn)行單元的處理器。

例如，當(dāng)CMAC(復(fù)數(shù)乘加器)執(zhí)行FFT的一層運(yùn)算時(shí)，整型數(shù)據(jù)通道能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)任務(wù)；當(dāng)加速維特比解碼器以最大吞吐速率并行執(zhí)行時(shí)，CALU(復(fù)數(shù)算術(shù)邏輯元)能完成導(dǎo)頻的提取。

要想能充分利用SIMT的架構(gòu)，幾個(gè)關(guān)鍵組件是必須的：高效的向量執(zhí)行單元，一個(gè)匹配的內(nèi)存機(jī)制，并行的內(nèi)存尋址系統(tǒng)，以及有能力管理多個(gè)線程的控制核心。

SIMT架構(gòu)利用多重復(fù)數(shù)SIMD執(zhí)行簇，如4路復(fù)數(shù)乘加器(MAC)和4路復(fù)數(shù)算術(shù)邏輯單元(ALU)。每個(gè)SIMD簇能夠獨(dú)立于其它的執(zhí)行單元處理一個(gè)任務(wù)。

為了能協(xié)同各向量的操作，一個(gè)分布式內(nèi)存被使用。系統(tǒng)的內(nèi)存被分割成若干個(gè)具有獨(dú)立的地址產(chǎn)生單元的內(nèi)存段，與片上網(wǎng)絡(luò)一起提高了內(nèi)存部分的功率效率。

片上的網(wǎng)絡(luò)由受限的四通開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，直接受軟件的控制。因?yàn)樵试S軟件工具使用靜態(tài)調(diào)度算法，所以無(wú)需仲裁器且其性能是可以充分預(yù)期的。

所述處理器是由RISC內(nèi)核控制的，它包含指令分發(fā)邏輯和支持多上下文的功能。RISC內(nèi)核執(zhí)行所有的控制流功能以及整數(shù)型指令。

SIMT處理器管理所有的復(fù)數(shù)型處理函數(shù)，這些函數(shù)介于ADC/DAC和FEC單元之間。處理器在RISC內(nèi)核和一個(gè)數(shù)字前端加速器外增加了兩個(gè)SIMD單元，一個(gè)是4路CMAC，另一個(gè)是4路CALU。

SIMT架構(gòu)的處理器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)開(kāi)發(fā)出的芯片總共包含1.5M比特內(nèi)存，被分配為43k word用于復(fù)數(shù)存儲(chǔ)器，4k word用于整數(shù)存儲(chǔ)器，2k word用于程序存儲(chǔ)器。當(dāng)單個(gè)的向量指令執(zhí)行計(jì)算時(shí)，程序存儲(chǔ)器的利用率是非常高的，如執(zhí)行一個(gè)向量的復(fù)數(shù)點(diǎn)乘，或一個(gè)完整的FFT運(yùn)算層。

本架構(gòu)合適于在典型的僅有2k word的程序存儲(chǔ)空間和少于8k word的但完整的WiMAX協(xié)議棧內(nèi)執(zhí)行完整的DVB-T/H協(xié)議。

可編程能力

可編程能力賦予了硬件的重利用不僅僅在于不同的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)之間，還包括不同的處理流程部分之間