DSP在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

摘要：可編程DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）在數(shù)字峰窩電話中已廣泛應(yīng)用。本文闡述了DSP在目前標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用情況，展望了未來(lái)DSP向低功耗方向發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：DSP 移動(dòng)通信 低功耗

目前移動(dòng)終端結(jié)構(gòu)中有兩種主要趨向。一種是面對(duì)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)使用可編程DSP的靈活性；另一種是強(qiáng)調(diào)用專用集成電路（ASIC）實(shí)現(xiàn)的高效性。將來(lái)這兩個(gè)方面必將結(jié)合起來(lái)。

DSP在GSM中的應(yīng)用

GSM的功能框圖如圖1所示。圖中一個(gè)典型的數(shù)字通信模塊包括：信號(hào)壓縮、差錯(cuò)檢測(cè)、加密、調(diào)制和均衡。最初，人們認(rèn)為低功耗要求意味著大部分GSM終端將用ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，DSP和ASIC在功耗方面的差異就顯得不是那么重要了。

在GSM階段1里編碼器用RPELTP（短形脈沖激勵(lì)線性預(yù)溫編碼）技術(shù)將語(yǔ)音壓縮到13Kb/s，大多數(shù)硬件工程師都認(rèn)為話音編碼器應(yīng)該由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且，一旦DSP應(yīng)用玩弄“不斷升級(jí)”的任務(wù)中去，它就顯得功能強(qiáng)大了。現(xiàn)在DSP在如圖1所示的功能圖中，開(kāi)始承擔(dān)物理層的其它功能了。

在演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)中靈活性是非常重要的。GSM階段2中引進(jìn)了增強(qiáng)全速率（EFR）和半速率（HR）話音編碼。半速率在達(dá)到相同的語(yǔ)音質(zhì)量的情況下，壓縮速率更高，達(dá)到5.6Kb/s，但代價(jià)是復(fù)雜性增加。增強(qiáng)全速率能夠提供更好的話音質(zhì)量和性能，其代價(jià)是復(fù)雜度更高，它是應(yīng)用一種叫做矢量和激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（VSELP）的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

隨著這些變化，物理層的性能越來(lái)越好，費(fèi)用越來(lái)越低，功率更節(jié)省。因此，每一代移動(dòng)終端的物理層都同前一代有一些微小的差別，而基于ASIC的解決方案的升級(jí)就比較困難而且代價(jià)也比較大。因?yàn)楝F(xiàn)在有專門為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的低功耗DSP，用ASIC實(shí)現(xiàn)DSP完成的功能而節(jié)省的功率不足以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師放棄用DSP設(shè)計(jì)的靈活性。1994年以后，單片DSP芯片的功能已經(jīng)很強(qiáng)大，甚至可以用單片DSP芯片實(shí)現(xiàn)基帶的所有功能。為了節(jié)省功率和縮小電路板的體積，幾種DSP芯片，如Motorola56652和TI的數(shù)字基帶平臺(tái)都集成了RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）微控制器去處理協(xié)議和人機(jī)界面，這樣就可以讓DSP去專門做通信算法的任務(wù)。

隨著GSM移動(dòng)終端的演進(jìn)，它已經(jīng)逐漸發(fā)展到不僅僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電話功能，這就使得不僅僅在物理層而且在其它層也可以用到DSP。尤其是隨著第三代移動(dòng)通信的到來(lái)，無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，這一趨勢(shì)將會(huì)加速。

DSP向低功耗發(fā)展的趨勢(shì)

新一代DSP增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和處理能力提供了更好的性能并且功耗更低，適合電池供電的應(yīng)用。我們知道許多通信算法是乘和累加（MuAcc）運(yùn)算，它包含從存儲(chǔ)器取兩個(gè)操作數(shù)，執(zhí)行乘法和累加，然后將結(jié)果放回到存儲(chǔ)器。所以我們用每百萬(wàn)個(gè)MuAcc消耗的mW來(lái)評(píng)估DSP的功率消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前DSP的功耗每18個(gè)月就降低一半。由于DSP用的靜態(tài)邏輯，主要的功率消耗就是對(duì)器件內(nèi)部電容的充放電上，這個(gè)動(dòng)態(tài)的功率消耗如下式所示：

p=ac×V擺幅×V電源×f

上式中P代表消耗的功率，a代表每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的周期數(shù)，v擺幅和v電源相等，f代表頻率。整個(gè)芯片的動(dòng)態(tài)功率消耗是電路里所有節(jié)點(diǎn)的P的和。從上式看到，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)功率消耗同供電電壓的平方成正比，那么降低供電電壓對(duì)節(jié)省功率是很重要的。例如，將供電電壓從3.3V降低到1.8V功率消耗降低了3.4倍。但是，僅僅降低供電電壓而不改進(jìn)技術(shù)，是不完善的。因此在降低供電電壓的同時(shí)還要改進(jìn)技術(shù)才能使性能提高和功耗下降。

下面我們以TI的TMS320C54x為例，介紹它的低功耗設(shè)計(jì)。TMS320C54x是專門為無(wú)線通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP芯片。另外，隨著無(wú)線市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了另外幾種專門為無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的DSP芯片，如：Lucent公司的16000系列和ADI21xx系列。

C54x的結(jié)構(gòu)和指令集都設(shè)計(jì)了具有節(jié)省功率的特性。C54x應(yīng)用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有三個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線、一個(gè)程序存儲(chǔ)總線、兩個(gè)數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器和一個(gè)程序地址產(chǎn)生器。這種結(jié)構(gòu)使得可以同時(shí)存取數(shù)，適合多操作數(shù)運(yùn)算，從而完成同樣的功能所需的周期變少。

C54x為節(jié)省功率的另外一個(gè)策略就是增加特殊指令，這些指令能夠執(zhí)行在無(wú)線應(yīng)用中的重要算法。例如在C54x中算術(shù)邏輯單元的移位器和指數(shù)檢測(cè)器使得各種數(shù)值運(yùn)算執(zhí)行的單周期化，指數(shù)編碼器支持話音編碼的浮點(diǎn)運(yùn)算。還有一個(gè)比較選擇存儲(chǔ)單元（CSSU）大大加速了Viterbi譯碼的速度。

C54x指令集還包含幾條專用指令，包括：?jiǎn)螚l指令重復(fù)和指令塊重復(fù)、條件指令、歐幾里德距離計(jì)算、FIR（有限脈沖響應(yīng)）和LMS（最小均方）濾波器運(yùn)算指令等。所有一切，便利目前用DSP完成IS-54/136標(biāo)準(zhǔn)里的VSELP時(shí)消耗7.4mW功率，在GSM語(yǔ)音編碼時(shí)消耗1.3mW功率。

在低功率DSP中功率管理是非常重要的，C54x應(yīng)用了一種混合功率管理策略，即婁活的內(nèi)部時(shí)鐘控制和三種用戶控制空閑模式：關(guān)閉CPU，關(guān)閉CPU和片內(nèi)外設(shè)、只保持存儲(chǔ)器狀態(tài)的整個(gè)器件的關(guān)閉?；跀?shù)字鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器和北法器結(jié)合允許用戶能夠優(yōu)化應(yīng)用的頻率和功耗。

未來(lái)移動(dòng)能信器件的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)

蜂窩通信自從1983年商用以來(lái)有幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，最重要就是從模擬到數(shù)字的發(fā)展，這使得系統(tǒng)的容量增大，用戶數(shù)增多。數(shù)字技術(shù)的使用驅(qū)動(dòng)了移動(dòng)終端從最初的僅有話音功能向話音外的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方向發(fā)展。尤其是目前Internet的迅猛發(fā)展和向第三代移動(dòng)通信演變的趨勢(shì)，移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將包括圖像、話音、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)將包括圖像、話音數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)等。這些業(yè)務(wù)的發(fā)展對(duì)信號(hào)處理的要求加強(qiáng)，這驅(qū)動(dòng)了對(duì)功能強(qiáng)大的DSP的需求。

傳統(tǒng)的蜂窩電話用雙處理器結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)制解調(diào)器。將來(lái)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的終端將會(huì)有新的結(jié)構(gòu)，它必須增加處理資源去支持復(fù)雜度不斷增加的用戶界面，處理除了話音之外的更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。其中，一個(gè)解決方案就是一個(gè)DSP核心加上協(xié)處理器結(jié)構(gòu)，另外一種結(jié)構(gòu)是多個(gè)DSP加上額外的硬件來(lái)加速?gòu)?fù)雜的處理。

總之，未來(lái)的以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心的移動(dòng)設(shè)備需要考慮的問(wèn)題有：用戶界面友好、系統(tǒng)功耗低、軟件不復(fù)雜和進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間短。可編程DSP將會(huì)提供功率有效的處理，支持靈活的應(yīng)用和升級(jí)，因此，低功耗DSP將在未來(lái)的移動(dòng)通信中得到更加廣泛的應(yīng)用。