下一代無線終端的體系結構

中國已經成為移動終端的最大市場，但還有相當多的人沒有選擇無線服務，因此預期市場會繼續(xù)增長。市場的增長會有兩種推動力：首先，很大一部分尤其是農村用戶將從開發(fā)低成本手機中獲益。這些入門級的手機主要用來通話，雖然功能有限，但是會使更多的人從移動電話中得到好處。實際上，在一些有線通信服務受限制的地區(qū)，很多潛在的用戶會選擇移動服務來代替有線服務。另外，一旦3G許可證發(fā)放給運營商，在這些新的高速率網絡中就會出現(xiàn)新的服務，驅使現(xiàn)有的移動用戶來升級他們的手機以便利用這些新的服務。

同樣需要注意的是，全世界30%以上的手機目前是在中國制造的，國內制造商已經占領了相當大的市場份額。這些制造商的進一步發(fā)展將來自于繼續(xù)擴展國內的市場，以及增加對海外市場的出口。為了適應市場條件的變化以及消費者對新功能和多頻段、多模式操作手機的需求，就需要降低成本和縮短開發(fā)新產品的時間。為了滿足對這種需求的支持，芯片供應商經常提供參考設計以使手持產品的快速開發(fā)。一種典型的3G手機的參考設計如圖1所示。

圖1  ADI公司為TD-SCDMA手機開發(fā)的SoftFone-LCR參考設計

無線手持設備的一個發(fā)展趨勢是在強調全球通用性、尺寸和功耗、易生產和易升級的同時，還要包含一系列用戶設備(UE)的功能，如電話、PDA、高級音頻和視頻服務以及許多新的構想。對于新一代手機，顯然需要支持多模和不同空中接口操作。例如，在一個手機內必須同時存在GSM/GPRS和TD-SCDMA調制解調器。另外，我們經常會面對多種移動通信標準和無線連接標準共存的情況，例如Wi-Fi、UMA、Bluetooth，這些標準正逐漸融合到UE中。

在多模式UE中，不僅可能改變與空中接口標準相關的設備單元，而且還可能通過下載可執(zhí)行的程序來執(zhí)行任何應用層的功能。實現(xiàn)這種目標的關鍵技術基礎是：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)的實現(xiàn)，靈活的和可擴展的體系結構。

然而，不論從技術還是經濟角度來看，移動終端的現(xiàn)狀都極大地限制了我們接近這個目標的程度。最早的經濟可行的多模解決方案都依賴于可擴展的單模方案，實質上是同一個封裝內兩個很大程度上獨立的設計組成。完全可編程UE的概念將按照一系列步驟逐步演進，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)展到某一時候達到完全由軟件實現(xiàn)的可重新配置。在這個轉變的過程中，UE的某些特定功能方面會比其他部分經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到可編程形式，其中有些功能自然地有助于實現(xiàn)這種轉變如與信道和語音編碼相關的功能，然而其他的功能則需要一個緩慢的轉變過程如RF和混合信號功能。

無線手機體系結構—基帶平臺

數(shù)字基帶(DBB)平臺以其最高程度的可編程性成為了無線手機的關鍵組成。針對不同的UE結構和集成度，DBB包含一系列完整的可能帶有片內集成的混合信號(數(shù)模轉換器和模數(shù)轉換器，以及許多的輔助和語音頻帶轉換器)的基帶處理功能。用于無線通信的DBB結構通常依靠多內核平臺，包括可編程DSP和MCU內核以及針對特定無線標準的專用硬件功能模塊(加速器和協(xié)處理器)和大容量內置存儲器。專用硬件通常包括超過目前DSP內核為手機集成可提供的一些需要高速和復雜性操作的處理單元，略舉幾例，碼片速率處理(如RAKE接收機)、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結構的核心。為無線終端設計的DSP提供了多模操作的許多優(yōu)勢，包括DSP執(zhí)行面向控制任務的能力、高速運算能力、快速增加的存儲容量和I/O帶寬(片內存儲器和用于片外存儲器的接口)、保證DSP系統(tǒng)性能的快速中斷響應次數(shù)和改進的電源管理功能。過去幾年內，信道編碼和語音編碼中的許多功能已經從硬連線的ASIC實現(xiàn)完全轉變?yōu)樵贒SP中執(zhí)行的軟件實現(xiàn)。我們期望能夠利用DSP的結構優(yōu)勢以及半導體技術的優(yōu)勢使這種趨勢繼續(xù)快速發(fā)展。

這種發(fā)展路線已經在新的無線標準中得到印證，如中國部分地區(qū)的EDGE(改進數(shù)據(jù)速率GSM服務)，DSP對信道編碼和均衡所需要的計算能力已經遠遠大于GSM/GPRS的要求。高級DBB平臺得益于諸如Blackfin處理器內核，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標準，DBB平臺除了需要更加復雜的調制解調功能之外，還有新類型業(yè)務的驅動，例如視頻業(yè)務。Blackfin處理器內核的處理能力使其不僅在SoC中而且能夠在軟件平臺中充分利用其創(chuàng)新的體系結構完全用軟件方法實現(xiàn)TD-SCDMA的終端設備。

SoC復雜性和功能性發(fā)展趨勢

如前所述，高效SoC的實現(xiàn)是推動多模手機的集成朝著低成本解決方案發(fā)展的關鍵技術?，F(xiàn)在市場上可提供的解決方案涵蓋整個IC種類，主要劃分根據(jù)如下：芯片組的劃分，DBB體系結構的基礎作用，半導體技術的可用性，通信功能和應用功能的劃分。芯片組的劃分很大程度上取決于不同設計領域(例如RF、混合信號和DBB技術)供應商的技術能力。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)器劃分為一顆獨立于混合信號和DBB的芯片，而且通常選用不同的工藝以實現(xiàn)最適宜的成本、性能以及上市時間。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設計中利用了增強型數(shù)字方法。這種單芯片解決方案(通常仍然需要單獨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。從體系結構角度來說，在靈活性程度和集成度之間總是存在一個折衷問題。

由于多模終端的需求，對復雜度已經相當高的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存儲器的尺寸?，F(xiàn)在很常見到幾百萬邏輯門的DBB設計，它們能支持雙模通信功能和其他應用功能。通信功能和應用功能的化分也導致了不同SoC實現(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用功能)到通信處理器和應用處理器的物理上化分。

雖然SoC為加快設計周期提供了“必要”條件，但是重要的是應該強調軟件的穩(wěn)定性和完備性帶來的“充分”條件。軟件設計的效率會直接影響到無線終端的成本和功耗，而一種結構化的設計方法能夠使復雜的無線型通信認證和互用性測試的支持和維護變得更容易。

SoftFone數(shù)字基帶體系結構

從對復雜SoC的系統(tǒng)劃分和支持的全視角來看SoftFone體系結構是一個很好的例子。該體系結構的靈活性使得終端設備商可以開發(fā)不同的產品，并且在使用同一種硬件平臺的基礎上針對不同的空中接口標準來開發(fā)自己不同的產品。SoftFone體系結構的可擴展性能夠集成與時俱進的附加硬件模塊以支持新的應用，它可以通過嵌入式調試機制來為模塊化軟件提供結構化的支持。

圖2   SoftFone 體系結構


SoftFone體系結構基于RAM，它允許一個由軟件配置的硬件平臺，從而允許增加新的功能以滿足市場需求，同時能夠更新控制軟件以便跟上無線標準的演進。因此，基于RAM的方法縮短了最終產品的上市時間。SoftFone體系結構的另外一個重要的特點是模塊化，它允許將DSP或者MCU內核替換成更強大的處理器內核，并且可提供和增加新的外設接口。這種體系結構通過通用的統(tǒng)一的存儲器映射可以實現(xiàn)兩個處理器同時對所有外設以及片內和片外存儲器完全對等的訪問。對存儲器的訪問是通過總線仲裁器(BUS ARBITRATION MODULE)完成的，從而保證了能夠實現(xiàn)處理器內核的無縫互聯(lián)所必需的吞吐率。系統(tǒng)同時包括充足的高速緩存，以便對于要求實時性功能至關重要的應用場合從每個內核獲得盡可能最佳的性能。

圖3   SoftFone-LCR芯片組

對于超出DSP和MCU內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或者片外的協(xié)處理器來滿足要求。對于具有高級功能的Blackfin DSP內核，在用于無線手機應用(如游戲、WAP)的DSP內核中支持調制解調器功能(如均衡、信道編碼)和支持應用功能(例如音頻和視頻處理)的DSP應用以及在MCU內核中的協(xié)議棧編碼功能的傳統(tǒng)劃分方法都可以按照系統(tǒng)級進行重新劃分以保證最終解決方案的有效實現(xiàn)。不同的最終產品應用需要不同的外設接口，這些接口將連接無數(shù)個可提供的外圍設備，包括照相機模塊、藍牙、輔助GPS以及許多其他外設。為了建立對多種外設接口的有效支持，SoftFone體系結構引入了一種軟件定義的外設接口--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，該體系結構還為移動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移動電話所必需的全部關鍵功能。TD-SCDMA是3GPP TDD標準的低碼片速率(LCR)版本。該芯片包括基帶信號處理和控制、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，使TD-SCDMA移動電話設計能迅速上市并且保證低成本。

SoftFone LCR芯片建立在基于RAM的SoftFone體系結構基礎之上，包含基于Blackfin處理器的AD6901數(shù)字基帶處理器，從而達到250 MHz以上的性能并且通過Blackfin處理器的動態(tài)電源管理功能實現(xiàn)極低功耗。芯片的基帶信號處理包括全部用軟件完成的結點檢測和解碼功能，允許終端制造商能夠快速方便的適應TD-SCDMA標準的演進。該芯片組還包括AD6584模擬基帶和電源管理IC，它提供TD-SCDMA移動電路所需要的全部數(shù)據(jù)轉換器(ADC和DAC)以及支持語音和立體聲音頻的音頻編解碼功能。AD6584還包含移動電話必需的所有的穩(wěn)壓器和一個蓄電池充電器。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、自動校準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、彩色顯示器、IrDA、USB以及SD/MMC接口，允許手機制造商為多模制造出帶有不同功能組合的多種設計方案。