軟件無線電的功率：一種針對功率設(shè)計(jì)SDR的整體方法

傳統(tǒng)上，降低軟件無線電(SDR)硬件的功耗一直是我們工作的重點(diǎn)，但是，顯而易見軟件也有重要影響，因此，需要一種降低SDR功耗的整體設(shè)計(jì)方法。一種能發(fā)揮SDR功能的測試床能幫我們解決這個問題。

由于像美國聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)這樣的計(jì)劃，軟件定義的無線電(SDR)早已被證實(shí)。然而，有許多問題嚴(yán)重地制約著SDR的廣泛部署，其中相當(dāng)重要的問題就是功率。

功率是在設(shè)計(jì)每一個SDR子系統(tǒng)時的主要考慮因素，特別是因?yàn)樗鼈円谋扔布o線電更多的功率。例如，為了獲得預(yù)期的無線電通信距離(依賴于鏈路的狀況，典型值為5-10千米數(shù)量級)，射頻(RF)前端必須具備足夠的發(fā)射功率。同樣，對于靠電池工作的無線電設(shè)備，RF前端、調(diào)制解調(diào)器和加密處理子系統(tǒng)的功耗都直接影響無線電設(shè)備的壽命。此外，對由調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱的能力直接影響到無線電設(shè)備的壽命，并且甚至可能影響到能在機(jī)箱中同時處理的通道數(shù)，且有更多的影響。

因此，降低一個SDR的功率有許多好處，這些好處可能甚至包括通過購買更少的備用電池而降低運(yùn)營費(fèi)用。在此，為了獲得其中的一些好處，我們談?wù)摰闹攸c(diǎn)將放在降低SDR調(diào)制解調(diào)器功耗的整體方法上。

為了降低調(diào)制解調(diào)器中的功耗，大多數(shù)人首先注意的就是在處理過程中的硬件，其中，通常包含現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)和通用目的處理器(GPP)。區(qū)分任何硬件器件的兩個功耗源——靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗——是至關(guān)重要的。靜態(tài)功耗是一個已加電但不活躍的器件所消耗的固有功率，由晶體管的電流泄漏所控制。另一方面，動態(tài)功耗是由活躍使用的器件所消耗的功率，該功率受到若干變量的影響，包括電源電壓、對外部存儲器的訪問次數(shù)、數(shù)據(jù)帶寬，等等。檢測兩種類型的功耗是至關(guān)重要的，特別是在無線電設(shè)備具有一個通常接收比發(fā)射更長的占空周期的情形下。在GPP和甚至DSP的情形下，像頻率調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)和電源關(guān)閉模式這樣的電源管理功能已經(jīng)變得日益普遍。然而，關(guān)于FPGA又是什么情況呢？



圖1：用于降低SDR功耗的一種真正的整體方法要采用來自每一個象限的多種技術(shù)。

有許多方法可以用來降低FPGA中的靜態(tài)或動態(tài)功耗，其中許多方法不是可以同時應(yīng)用的。一些降低靜態(tài)功耗的方法包括三極柵氧化層電源門控。

利用三極柵氧化層，硅供應(yīng)商在晶體管上覆蓋一層氧化層以減少泄漏；覆蓋層越厚，泄漏就越小。性能保持平衡。在內(nèi)核中需要性能的地方，常見的就是采用薄的氧化層；而對于驅(qū)動較高電壓的I/O，要采用厚的氧化層。在不需要最大性能的地方，如配置SRAM，附加的中間氧化層可以極大地降低泄漏。利用這種技術(shù)的FPGA的例子包括賽靈思的Virtex-4和Virtex-5系列。



圖2：帶有功率測量值的基于模型設(shè)計(jì)流程可以簡化對波形劃分的決策。

當(dāng)FPGA模塊未被使用時，電源門控涉及晶體管的使用以降低待機(jī)泄漏。這種技術(shù)的一個例子可以在低功耗睡眠模式中看到。例如，如果在一個FPGA中的所有模塊都被電源門控，該器件就消耗非常小的靜態(tài)功耗。在這種情形下，平衡的是FPGA的配置的損耗，以便該器件在喚醒過程期間被完全地重配置，這個過程可能要花幾毫秒。另一方面，除了那些具有配置的模塊(比如配置存儲器)之外，如果所有的模塊都被電源門控，那么，F(xiàn)PGA的狀態(tài)就被保持住了。盡管喚醒時間被極大地縮短了，但是，所節(jié)省的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如當(dāng)所有模塊都被電源門控時那樣顯著。賽靈思的Spartan-3A系列的FPGA支持兩種類型的電源門控。

動態(tài)功耗是功率等式的另外一部分。降低動態(tài)功耗的方法包括處理器集成、專用IP模塊和時鐘門控。

對于具有嵌入式GPP和DSP引擎的平臺FPGA來說，處理器集成是非常有用的。通過采用嵌入式GPP，而不是離散的GPP，就不必驅(qū)動數(shù)據(jù)從FPGA跨越外部I/O線到GPP(跨越外部I/O線通常消耗大量的功率)，從而節(jié)省功率。Virtex-4FX器件就是平臺FPGA的一個例子。

讓專用IP模塊來執(zhí)行某些常見的函數(shù)可以極大地降低動態(tài)功耗而對靈活性卻沒有重大影響。一個例子就是讓FPGA中的專用引擎執(zhí)行乘法——累加函數(shù)。與采用邏輯電路實(shí)現(xiàn)的方案相比，這種專用IP模塊能夠以高得多的性能執(zhí)行那個函數(shù)并省電85%以上。Virtex-5器件具有包括DSP引擎、EthernetMAC和PCIExpress端點(diǎn)在內(nèi)的許多專用模塊，使得其可以以較低的功耗提供先進(jìn)的功能。

時鐘門控技術(shù)采用電路來關(guān)閉不用的FPGA模塊的時鐘，因而把那些模塊的功耗降低到泄漏電流的數(shù)量。如Virtex-4和Virtex-5這樣的FPGA就是支持這種性能的最好范例。

因?yàn)榻档挽o態(tài)和動態(tài)功耗都是至關(guān)重要的，從硬件對兩者的影響來看，最強(qiáng)有力的方法就是進(jìn)一步降低電源電壓。最佳的例子之一就是進(jìn)一步降低內(nèi)核電壓。處理器件隨著它們向下一代工藝節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移(也就是從90nm向65nm轉(zhuǎn)移)而趨向受益于較低的電壓。例如，65nmVirtex-5FPGA的內(nèi)核電壓是1.0V，比工作于1.2V的90nmVirtex-4FPGA低17%，比工作于1.5V的130nmVirtex-IIFPGA低33%。這就是采用大多數(shù)當(dāng)前器件的好處之一。較低的內(nèi)核電壓對靜態(tài)和動態(tài)功耗兩者都有重大影響，因?yàn)樾孤┡c電壓呈指數(shù)關(guān)系，而動態(tài)功耗與電壓呈二次方的關(guān)系。因此，Virtex-5器件比Virtex-4FPGA的靜態(tài)和動態(tài)功耗平均低30%以上。

上面我們討論了降低SDR中功耗的若干硬件方法，這些方法都重要，但是，感覺像缺少了一些內(nèi)容。畢竟，這不是被稱為軟件定義的無線電嗎？盡管設(shè)計(jì)工程師愿意對硬件提供商談關(guān)于降低它們的器件功耗的問題，但是，現(xiàn)實(shí)是許多所謂的“硬件公司”擁有的軟件工程師比硬件工程師要多。確實(shí)，這似乎預(yù)示著降低功耗不僅僅是硬件的事情。

用一種更為整體的方法來降低功耗

是的！的確存在真正最優(yōu)化SDR功耗的方法，設(shè)計(jì)工程師需要一種把硬件和編程技術(shù)兩者結(jié)合起來的更為整體的方法。一種無效執(zhí)行的波形可能對SDR的功耗造成巨大的負(fù)面影響，不論硬件設(shè)計(jì)有多么好！設(shè)計(jì)工程師可以采用許多技術(shù)在FPGA中更有效地實(shí)現(xiàn)一個波形，這些技術(shù)包括并行處理算法、低頻操作、功率底層規(guī)劃和局部配置。

利用并行處理算法，F(xiàn)PGA所提供的并行處理能力容許實(shí)現(xiàn)比像DSP或GPP這樣的串行處理器可能達(dá)到的性能要高得多的信號處理性能，這個已經(jīng)得到了很好的證實(shí)。因?yàn)椴⑿刑幚砜刹捎帽却刑幚砥鞯偷枚嗟臅r鐘頻率執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)采用并行處理算法的時候，F(xiàn)PGA實(shí)際上比處理器能效更高。

利用低頻工作，許多軍用波形能從運(yùn)行在較低的頻率以降低功耗上獲得好處。常見的是FPGA中的波形以低于200MHz的頻率運(yùn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大頻率。

上述的一些技術(shù)如時鐘門控利用對設(shè)計(jì)進(jìn)行一些細(xì)致的底層規(guī)劃可能更為有效。例如，為了真正地利用時鐘門控的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)工程師想利用相同的時鐘得到一個設(shè)計(jì)的幾個部分，而該時鐘可以在相同的區(qū)域——或許在器件的四分之一象限——被門控。目前市面上可利用的工具如賽靈思的PlanAhead設(shè)計(jì)和分析工具利用圖形用戶界面(GUI)使底層規(guī)劃變得更加容易。

局部重配置(PR)容許設(shè)計(jì)工程師在FPGA之內(nèi)定時復(fù)用各種資源。如果沒有PR，設(shè)計(jì)工程師可能不得不重載整個FPGA以支持一個新的波形模式，因此，臨時失去通信鏈路，或讓所有模式在大的FPGA之中被同時載入，即使一次僅僅使用一個模式。PR容許支持多模式波形，不必同時把所有的模式載入FPGA之中，因此，能夠以較小的FPGA和較低的功耗實(shí)現(xiàn)相同的功能。有效地利用PR也從底層規(guī)劃獲益。類似于低內(nèi)核電壓，PR能影響靜態(tài)和動態(tài)功率這兩者，但是，上述技術(shù)則僅僅影響動態(tài)功率。

圖1描述了這些用于降低功耗的各種方法。用于降低SDR功耗的一種真正的整體方法要采用來自每一個象限的多種技術(shù)。

假設(shè)有許多用于降低SDR功耗的方法，其中許多方法可以組合，似乎沒有什么機(jī)會能確定理想的功率最優(yōu)化波形實(shí)現(xiàn)方案。增加的混淆之處在于：許多波形成分如前向糾錯(FCC)常常能在FPGA或DSP當(dāng)中的任一個上有效地實(shí)現(xiàn)。通常不清楚的是：如何在硬件和軟件之間進(jìn)行最佳的劃分以實(shí)現(xiàn)能效最大化？盡管沒有靈丹妙藥，即沒有任何一種工具能評定所有不同的選項(xiàng)及轉(zhuǎn)換以決定性地鑒別最優(yōu)化的解決方案，但是，一定存在一種比純粹猜測更好的方法，這種猜測用的是已出版的數(shù)據(jù)表數(shù)字和基于電子數(shù)據(jù)表的功率估算器。



圖3：功率監(jiān)測GUI顯示調(diào)制解調(diào)器FPGA和DSP的功率消耗,消除對波形實(shí)現(xiàn)功率消耗的猜測

消除猜測：SDR功率最優(yōu)化測試床

一種更為優(yōu)良的方法就是訪問一個用于功率最優(yōu)化設(shè)計(jì)的能作為測試床的SDR。有了這樣一種測試床，就容許設(shè)計(jì)工程師或系統(tǒng)架構(gòu)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測試，并為功率優(yōu)化設(shè)計(jì)而權(quán)衡與特定硬件及軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的折衷。設(shè)計(jì)工程師可能不僅僅要比較上述討論的一些優(yōu)缺點(diǎn)，而且可能要相對輕松地在FPGA和DSP/GPP之間反復(fù)開發(fā)和劃分一個波形，與此同時，在每一個調(diào)制解調(diào)器處理器件上采集功率測量值。

盡管不必要，但是，利用基于模型設(shè)計(jì)的各種概念，通過一種視覺方式進(jìn)行建模，也可以經(jīng)由波形的重新劃分而提供各種好處。這樣一種設(shè)計(jì)流程的例子見圖2。在這個例子中，可以采用MathWorks公司的Simulink進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)工程師可以選擇在一個可用的FPGA和DSP之間對波形進(jìn)行劃分并直接在硬件上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程要利用賽靈思用于DSP的SystemGenerator和用于FPGA的ISEFoundation設(shè)計(jì)工具套件，以及MathWorks公司的Real-TimeWorkshop和TI公司用于DSP的CodeComposerStudio。

設(shè)計(jì)工程師也可以采用在基于模型的設(shè)計(jì)環(huán)境之內(nèi)的一種PowerMonitoringGUI，以實(shí)時顯示為FPGA和DSP獨(dú)立地記錄的功率測量值。這樣的GUI的一個例子見圖3。這種記錄能力容許設(shè)計(jì)工程師對波形隨時間變化的能量效率做出有根據(jù)的決策，不僅僅是及時抓拍波形。這是必需的，因?yàn)樵S多波形本質(zhì)上是“突發(fā)”的。如果波形實(shí)現(xiàn)造成調(diào)制解調(diào)器超過功率預(yù)算的情況變得顯而易見，設(shè)計(jì)工程師可以回到模型并針對更佳的效率對波形重新劃分。盡管這個流程現(xiàn)在并非輕而易舉，但是，這種努力是值得的，因?yàn)樗藢φ{(diào)制解調(diào)器的功耗進(jìn)行估計(jì)時的猜測。

通過賽靈思、TI和Lyrtech的協(xié)作，這樣一種具有功率監(jiān)測的SDR測試床現(xiàn)已開始供貨。該小形狀因子的SDR開發(fā)平臺把Virtex-4FPGA與DM6446DSP/GPP結(jié)合起來，從而讓設(shè)計(jì)工程師能夠進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

為降低功耗而設(shè)計(jì)

盡管傳統(tǒng)上一直把重點(diǎn)放在降低SDR硬件的功耗上，但是，顯而易見軟件也對功耗具有重大影響。正因如此，需要一種整體方法來降低SDR的功耗。而且，能夠?qū)嶋H發(fā)揮SDR作用的測試床有助于消除對這個問題的猜測。盡管這種方法可能要預(yù)先進(jìn)行更多的規(guī)劃和開發(fā)，但是，好處就是強(qiáng)迫并使SDR提供商能夠在提供現(xiàn)場持續(xù)時間更長、更可靠且在需要較少備用電池的無線電設(shè)備過程中建立競爭優(yōu)勢。