4G數(shù)據(jù)機(jī)邁向彈性化

在4G無線基頻的演進(jìn)中，目前仍有兩大技術(shù)陣營競逐領(lǐng)導(dǎo)地位，亦即長期演進(jìn)(LTE)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)。雖然兩大陣營的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有其重疊之處，但就其發(fā)展過程而言，兩者還是有些許差異。

例如WiMAX的主要定位是為各種運(yùn)算裝置提供無線寬頻存取，亦是機(jī)器對機(jī)器(M2M)通訊應(yīng)用的首選技術(shù)。此外，為有線寬頻尚未成熟的地區(qū)提供固定式的無線連線網(wǎng)絡(luò)，也是其一大應(yīng)用市場。相較之下，LTE則與全球無線通訊系統(tǒng)(GSM)一脈相傳，以為手機(jī)提供寬頻接取為其主要應(yīng)用目標(biāo)。

除了應(yīng)用目標(biāo)有所差異外，兩種技術(shù)的支持廠商也有顯著不同。 WiMAX的主要支持者為英特爾(Intel)與其他資通訊產(chǎn)業(yè)大廠所領(lǐng)導(dǎo)的WiMAX論壇，LTE的支持者則主要來自手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，包括高通 (Qualcomm)、意法-易利信(ST-Ericsson )、威瑞森(Verizon)、沃達(dá)豐(Vodafone)等在內(nèi)的眾多基頻原始設(shè)備制造商(OEM)和電信業(yè)者。

多模共存勢在必行基頻設(shè)計(jì)考驗(yàn)加劇

雖然目前對于第四代無線通訊(4G)江山誰屬的討論，支持LTE的聲浪已日益高漲，但由于兩者的應(yīng)用目標(biāo)仍有部分未重疊的市場，因此最終結(jié)果極有可能是兩者共存，在不同地區(qū)服務(wù)不同的用戶群。為了確保兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都為4G數(shù)據(jù)機(jī)所支援，市場便需要一種能夠同時(shí)滿足在兩種技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖的靈活解決方案。

移動數(shù)據(jù)機(jī)的發(fā)展所面對的限制，不單限于越來越復(fù)雜無線標(biāo)準(zhǔn)。今天的智慧型電話必須支援多個(gè)無線介面。除WiMAX和LTE之外，4G 移動設(shè)備還須支援大量無線介面，如GSM、整體封包無線電服務(wù)(GPRS)、增強(qiáng)數(shù)據(jù)率GSM演進(jìn)(EDGE)、寬頻分碼多重存取(WCMDA)、高速封包存取(HSPA)和最新推出的強(qiáng)化版高速封包存取(HSPA+)等。對數(shù)據(jù)機(jī)芯片供應(yīng)商而言，這些主流標(biāo)準(zhǔn)都是必須支援的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

由于無線基頻市場的未來不可預(yù)見，芯片供應(yīng)商所面臨的環(huán)境十分嚴(yán)酷。日益高昂的芯片開發(fā)成本和標(biāo)準(zhǔn)本身仍持續(xù)演變的現(xiàn)實(shí)，均使終端數(shù)據(jù)機(jī)的傳統(tǒng)硬體線路設(shè)計(jì)方法要面對更大的風(fēng)險(xiǎn)。譬如供應(yīng)商可能押錯(cuò)寶，使得芯片瞄準(zhǔn)錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)，最終導(dǎo)致解決方案在發(fā)表之前就慘遭淘汰。更重要的是，硬體線路很難在不進(jìn)行大量設(shè)計(jì)變更的前提下支援所有標(biāo)準(zhǔn)，故其成本高昂、體積笨重且功耗大。

這自然催生了具有足夠靈活性，支援多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并能縮短開發(fā)周期的可編程解決方案的需求。

混合式/SDR架構(gòu)將成主流

雖然如此，在新一代移動基頻芯片的設(shè)計(jì)中，硬體線路方案還是三大主流之一，因?yàn)檫@種方案具備可讓首批芯片快速上市的優(yōu)勢。此外，針對某個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的硬體，通?？纱_保最低功耗。但由于缺乏靈活性，也不能因應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)更新做出快速的反應(yīng)，因此提供另兩種方案崛起的機(jī)會。

目前移動寬頻數(shù)據(jù)機(jī)芯片市場上，為了解決純硬體方案彈性不足的缺點(diǎn)，已發(fā)展出混合式方案和軟體定義無線電(SDR)兩種以彈性見長的設(shè)計(jì)方式?；旌鲜郊軜?gòu)是將硬體線路設(shè)計(jì)與可程式設(shè)計(jì)處理器結(jié)合在一起，數(shù)據(jù)機(jī)中須保持設(shè)計(jì)彈性的部分，以嵌入式數(shù)位訊號處理器(DSP)核心和軟體演算法來實(shí)現(xiàn)。只有運(yùn)算密集和靈活性較小的數(shù)據(jù)機(jī)部分，如傅立葉變換(FFT)，才利用硬體線路的作法來實(shí)現(xiàn)。

軟體定義無線電則是一種完全的「軟體數(shù)據(jù)機(jī)」實(shí)現(xiàn)方案，可在同一塊芯片上以軟體同時(shí)支援多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)。這種方案采用完全可編程設(shè)計(jì)解決方案，具有全面的靈活性，能夠處理多個(gè)現(xiàn)有或未來的標(biāo)準(zhǔn)，而毋須對芯片進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。然而這類方案并非十全十美，其主要問題在于，和所支援標(biāo)準(zhǔn)而優(yōu)化的硬體線路方案相比，軟體定義無線電芯片的設(shè)計(jì)工作較復(fù)雜，功耗通常也較硬體線路方案高，因此若要采取軟體無線電來開發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)芯片，則低功耗與簡化設(shè)計(jì)將是兩大重點(diǎn)。

由于采用純硬體方案存在高風(fēng)險(xiǎn)性，無法滿足當(dāng)前不可預(yù)測的市場需求，所以現(xiàn)階段大多數(shù)供應(yīng)商不太可能選擇完全硬體化的設(shè)計(jì)架構(gòu)。因此，在新一代移動寬頻數(shù)據(jù)機(jī)芯片市場上，后兩種可編程設(shè)計(jì)方案才是各家供應(yīng)商選用的主流開發(fā)策略。

高性能DSP核心扮演關(guān)鍵角色

為了在新一代移動寬頻數(shù)據(jù)機(jī)芯片中保持一定彈性，高效能的通用型DSP核心所扮演的角色，將日益吃重。目前在各種移動和無線應(yīng)用中的數(shù)據(jù)機(jī)芯片已內(nèi)建數(shù)量不等的DSP核心。這類高效能DSP核心均采用混合了超長指令集(VLIW)和單指令多資料(SIMD)架構(gòu)的混合式架構(gòu)。

VLIW允許以高階語言(如C語言)撰寫的程式碼進(jìn)行平行指令處理，從而提供更佳的平行運(yùn)算能力，并有助降低芯片的功耗。以高階C語言來進(jìn)行程式設(shè)計(jì)，可大幅減少研發(fā)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)時(shí)間，并降低開發(fā)成本，縮短上市時(shí)間。圖1為此類DSP核心的典型功能方塊圖。

圖1　可支援VLIW和SIMD的混合式DSP核心功能方塊圖

以CEVA-X1641的DSP核心為例，這是一款具備四個(gè)乘累加器(MAC)單元的嵌入式DSP，由四個(gè)資料寬度為16位元的MAC單元組成。若芯片制造商以65奈米制程來實(shí)現(xiàn)此一核心，即便是在最差的條件下，該核心的運(yùn)行時(shí)脈也能高達(dá)700MHz。

這種高性能且易于使用的DSP針對移動數(shù)據(jù)機(jī)系統(tǒng)單芯片(SoC)提供多個(gè)軟硬體分區(qū)。不同的基頻客戶能在自己的數(shù)據(jù)機(jī)設(shè)計(jì)中，采用從單核心到多核心的不同實(shí)現(xiàn)方案和分區(qū)，并結(jié)合不同的硬體加速器來完成數(shù)據(jù)機(jī)功能。

SDR設(shè)計(jì)考驗(yàn)DSP核心

除了前文所提的混合式架構(gòu)外，目前業(yè)界也開始出現(xiàn)軟體定義無線電概念的實(shí)作芯片方案。如果要開發(fā)出在功耗、成本、尺寸等各個(gè)面向上均具備市場競爭力的軟體定義無線電數(shù)據(jù)機(jī)，則必須更小心地評估其所采用的DSP核心。因?yàn)樵诖思軜?gòu)下，數(shù)據(jù)機(jī)的所有核心功能都是透過DSP和軟體演算法來實(shí)現(xiàn)的。

若選擇軟體定義無線電架構(gòu)，其芯片所采用的DSP核心通常必須針對先進(jìn)的無線通訊而設(shè)計(jì)與最佳化，以確保其運(yùn)算能力可以支援各種不同移動寬頻標(biāo)準(zhǔn)。

目前在DSP核心授權(quán)市場上，已有足堪擔(dān)此重任的DSP核心問世，可支援要求最嚴(yán)苛的4G移動標(biāo)準(zhǔn)如第五類LTE(LTE Cat. 5)和IEEE 802.16m，而且也能同時(shí)兼容現(xiàn)有的3G與3.5G無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。也唯有采用能滿足上述標(biāo)準(zhǔn)所立下的效能門檻的DSP核心，芯片供應(yīng)商才能同時(shí)在單一架構(gòu)中支援多種無線介面，實(shí)現(xiàn)真正的軟體式數(shù)據(jù)機(jī)。

這類DSP核心是以單一引擎來完成所有無線處理工作，毋須仰賴多顆基頻輔助處理器。對于軟體定義無線電數(shù)據(jù)機(jī)的商品化而言，至關(guān)重要，因?yàn)橐酝能涹w定義無線電方案通常是以一顆主DSP芯片搭配基頻輔助處理器的方式實(shí)現(xiàn)。

這類分散式架構(gòu)除采用多顆處理器外，還必須采用額外的記憶體、資料緩沖器等元件，因此整個(gè)系統(tǒng)的功耗和尺寸相當(dāng)可觀，成本亦過于高昂。

事實(shí)上，軟體無線電架構(gòu)以往只有軍事或航太通訊產(chǎn)品采用，與系統(tǒng)尺寸過大、功耗太高、價(jià)格高昂這三項(xiàng)因素有密不可分的關(guān)系。若軟體定義無線電技術(shù)要應(yīng)用在移動數(shù)據(jù)機(jī)等消費(fèi)性市場上，勢必要設(shè)法妥善解決這三大難題。

為了解決上述三大缺陷，專為軟體定義無線電通訊應(yīng)用所設(shè)計(jì)和最佳化的DSP核心中，除了部分DSP功能區(qū)塊外，還整合了數(shù)量不等的向量通訊單元(Vector Communications Unit)。每個(gè)向量單元是一個(gè)256位元SIMD引擎，采用三路VLIW和大量16位元MAC、演算法、邏輯及位移單元。

透過這些向量通訊單元的幫助，這些特殊化的DSP核心可以滿足4G無線數(shù)據(jù)機(jī)的要求，包括矩陣處理、多重輸入多重輸出(MIMO)檢測器、復(fù)雜濾波、資料交換和位元流處理。圖2為內(nèi)建向量通訊單元的DSP核心功能方塊圖。

圖2　專為SDR所設(shè)計(jì)的DSP核新功能方塊圖

彈性化設(shè)計(jì)勢在必行

隨著無線通訊產(chǎn)業(yè)朝向4G發(fā)展，因開發(fā)成本和多個(gè)變化標(biāo)準(zhǔn)的問題，使傳統(tǒng)以硬體線路為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)大增。所以，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠迅速適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)，并可在多代產(chǎn)品上重復(fù)使用的靈活解決方案至關(guān)重要。

以混合式方案或全軟體式數(shù)據(jù)機(jī)為基礎(chǔ)的可編程設(shè)計(jì)解決方案，正式因應(yīng)此一趨勢而誕生的產(chǎn)物?？删幊谭桨改茏屧O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)輕松地套用先前所完成的設(shè)計(jì)，并確保產(chǎn)品能快速上市。

無線基頻領(lǐng)導(dǎo)廠商早已認(rèn)可轉(zhuǎn)向可程式設(shè)計(jì)解決方案的發(fā)展趨勢，而投入DSP架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的工作。在DSP核心標(biāo)準(zhǔn)化后，芯片廠商可以更輕松地根據(jù)其系統(tǒng)架構(gòu)和靈活性水準(zhǔn)選擇正確的DSP核心。而且，最新的節(jié)能和制程幾何尺寸縮小技術(shù)，也使得這些可編程設(shè)計(jì)方案漸漸成為多種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)4G方案的首選方法。