軟件無線電的功率：一種針對功率設(shè)計SDR的整體方法(07-100)

　　利用低頻工作，許多軍用波形能從運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的頻率運行，遠遠低于最大頻率。

　　上述的一些技術(shù)如時鐘門控利用對設(shè)計進行一些細致的底層規(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)計工程師想利用相同的時鐘得到一個設(shè)計的幾個部分，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，似乎沒有什么機會能確定理想的功率最優(yōu)化波形實現(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當中的任一個上有效地實現(xiàn)。通常不清楚的是：如何在硬件和軟件之間進行最佳的劃分以實現(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)計的能作為測試床的SDR。有了這樣一種測試床，就容許設(shè)計工程師或系統(tǒng)架構(gòu)師根據(jù)經(jīng)驗進行測試，并為功率優(yōu)化設(shè)計而權(quán)衡與特定硬件及軟件設(shè)計相關(guān)的折衷。設(shè)計工程師可能不僅僅要比較上述討論的一些優(yōu)缺點，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)計的各種概念，通過一種視覺方式進行建模，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)計流程的例子見圖2。在這個例子中，可以采用MathWorks公司的Simulink 進行建模。設(shè)計工程師可以選擇在一個可用的FPGA和DSP之間對波形進行劃分并直接在硬件上實現(xiàn)，實現(xiàn)過程要利用賽靈思用于DSP的System Generator和用于FPGA的ISE Foundation設(shè)計工具套件，以及MathWorks公司的Real-Time Workshop和TI公司用于DSP的Code Composer Studio。

　　設(shè)計工程師也可以采用在基于模型的設(shè)計環(huán)境之內(nèi)的一種Power Monitoring GUI，以實時顯示為FPGA和DSP獨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，因為許多波形本質(zhì)上是“突發(fā)”的。如果波形實現(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，因為它消除了對調(diào)制解調(diào)器的功耗進行估計時的猜測。

　　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-4 FPGA 與DM6446 DSP/GPP結(jié)合起來，從而讓設(shè)計工程師能夠進行低功耗設(shè)計。

　　為降低功耗而設(shè)計

　　盡管傳統(tǒng)上一直把重點放在降低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)先進行更多的規(guī)劃和開發(fā)，但是，好處就是強迫并使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。