下一代无线终端的体系结构

    作者：ADI射频和无线业务部系统工程经理 Zoran Zvonar

    中国已经成为移动终端的最大市场，但还有相当多的人没有选择无线服务，因此预期市场会继续增长。市场的增长会有两种推动力：首先，很大一部分尤其是农村用户将从开发低成本手机中获益。

    这些入门级的手机主要用来通话，虽然功能有限，但是会使更多的人从移动电话中得到好处。实际上，在一些有线通信服务受限制的地区，很多潜在的用户会选择移动服务来代替有线服务。另外，一旦3G许可证发放给运营商，在这些新的高速率网络中就会出现新的服务，驱使现有的移动用户来升级他们的手机以便利用这些新的服务。

    同样需要注重的是，全世界30%以上的手机目前是在中国制造的，国内制造商已经占领了相当大的市场份额。这些制造商的进一步发展将来自于继续扩展国内的市场，以及增加对海外市场的出口。为了适应市场条件的变化以及消费者对新功能和多频段、多模式操作手机的需求，就需要降低成本和缩短开发新产品的时间。为了满足对这种需求的支持，芯片供给商经常提供参考设计以使手持产品的快速开发。一种典型的3G手机的参考设计如图1所示。

    图1  ADI公司为TD-SCDMA手机开发的SoftFone-LCR参考设计

    无线手持设备的一个发展趋势是在强调全球通用性、尺寸和功耗、易生产和易升级的同时，还要包含一系列用户设备(UE)的功能，如电话、PDA、高级音频和视频服务以及许多新的构想。对于新一代手机，显然需要支持多模和不同空中接口操作。例如，在一个手机内必须同时存在GSM/GPRS和TD-SCDMA调制解调器。另外，我们经常会面对多种移动通信标准和无线连接标准共存的情况，例如Wi-Fi、UMA、Bluetooth，这些标准正逐渐融合到UE中。

    在多模式UE中，不仅可能改变与空中接口标准相关的设备单元，而且还可能通过下载可执行的程序来执行任何应用层的功能。实现这种目标的要害技术基础是：有效地划分将要提供的UE系统功能，获得支持的高效系统芯片(SoC)的实现，灵活的和可扩展的体系结构。

    然而，不论从技术还是经济角度来看，移动终端的现状都极大地限制了我们接近这个目标的程度。最早的经济可行的多模解决方案都依靠于可扩展的单模方案，实质上是同一个封装内两个很大程度上独立的设计组成。完全可编程UE的概念将按照一系列步骤逐步演进，从可选择硬件开始，发展到可重新配置硬件，或许在将来发展到某一时候达到完全由软件实现的可重新配置。在这个转变的过程中，UE的某些特定功能方面会比其他部分经历更大程度的可编程性。许多功能在很大程度上都是从固定形式演进到可编程形式，其中有些功能自然地有助于实现这种转变如与信道和语音编码相关的功能，然而其他的功能则需要一个缓慢的转变过程如RF和混合信号功能。

    无线手机体系结构—基带平台

    数字基带(DBB)平台以其最高程度的可编程性成为了无线手机的要害组成。针对不同的UE结构和集成度，DBB包含一系列完整的可能带有片内集成的混合信号(数模转换器和模数转换器，以及许多的辅助和语音频带转换器)的基带处理功能。用于无线通信的DBB结构通常依靠多内核平台，包括可编程DSP和MCU内核以及针对特定无线标准的专用硬件功能模块(加速器和协处理器)和大容量内置存储器。专用硬件通常包括超过目前DSP内核为手机集成可提供的一些需要高速和复杂性操作的处理单元，略举几例，码片速率处理(如RAKE接收机)、蜂窝单元搜索，路径搜索算法，turbo译码和快速傅立叶变换。DSP总是处于DBB结构的核心。为无线终端设计的DSP提供了多模操作的许多优势，包括DSP执行面向控制任务的能力、高速运算能力、快速增加的存储容量和I/O带宽(片内存储器和用于片外存储器的接口)、保证DSP系统性能的快速中断响应次数和改进的电源治理功能。过去几年内，信道编码和语音编码中的许多功能已经从硬连线的ASIC实现完全转变为在DSP中执行的软件实现。我们期望能够利用DSP的结构优势以及半导体技术的优势使这种趋势继续快速发展。

    这种发展路线已经在新的无线标准中得到印证，如中国部分地区的EDGE(改进数据速率GSM服务)，DSP对信道编码和均衡所需要的计算能力已经远远大于GSM/GPRS的要求。高级DBB平台得益于诸如Blackfin处理器内核，它能够通过提供支持大多数信道均衡算法(如滤波和栅格译码)的指令集而完全通过软件方式来处理这些新的问题。展望3G标准，DBB平台除了需要更加复杂的调制解调功能之外，还有新类型业务的驱动，例如视频业务。Blackfin处理器内核的处理能力使其不仅在SoC中而且能够在软件平台中充分利用其创新的体系结构完全用软件方法实现TD-SCDMA的终端设备。

    SoC复杂性和功能性发展趋势

    如前所述，高效SoC的实现是推动多模手机的集成朝着低成本解决方案发展的要害技术。现在市场上可提供的解决方案涵盖整个IC种类，主要划分根据如下：芯片组的划分，DBB体系结构的基础作用，半导体技术的可用性，通信功能和应用功能的划分。芯片组的划分很大程度上取决于不同设计领域(例如RF、混合信号和DBB技术)供给商的技术能力。大多数的芯片组的划分是根据制造工艺，通常将RF收发器划分为一颗独立于混合信号和DBB的芯片，而且通常选用不同的工艺以实现最适宜的成本、性能以及上市时间。最近推出的“单芯片”解决方案将RF功能集成到片上，这通常需要90nm甚至更小几何尺寸工艺，并且在RF设计中利用了增强型数字方法。这种单芯片解决方案(通常仍然需要单独的芯片提供功率放大器、电源治理以及闪存功能)具有较少的灵活性和较多的片上固定功能，主要定位于低端市场。从体系结构角度来说，在灵活性程度和集成度之间总是存在一个折衷问题。

    由于多模终端的需求，对复杂度已经相当高的DBB功能的集成度水平提出更高的要求，有效地集成附加的数字功能几乎不影响其成本，通常主要取决于片内存储器的尺寸。现在很常见到几百万逻辑门的DBB设计，它们能支持双模通信功能和其他应用功能。通信功能和应用功能的化分也导致了不同SoC实现方案的选择，从在同一芯片中整块的集成单元(包括多模式通信功能以及典型的音频和视频应用功能)到通信处理器和应用处理器的物理上化分。

    虽然SoC为加快设计周期提供了“必要”条件，但是重要的是应该强调软件的稳定性和完备性带来的“充分”条件。软件设计的效率会直接影响到无线终端的成本和功耗，而一种结构化的设计方法能够使复杂的无线型通信认证和互用性测试的支持和维护变得更轻易。

    SoftFone数字基带体系结构

    从对复杂SoC的系统划分和支持的全视角来看SoftFone体系结构是一个很好的例子。该体系结构的灵活性使得终端设备商可以开发不同的产品，并且在使用同一种硬件平台的基础上针对不同的空中接口标准来开发自己不同的产品。SoftFone体系结构的可扩展性能够集成与时俱进的附加硬件模块以支持新的应用，它可以通过嵌入式调试机制来为模块化软件提供结构化的支持。

    图2  SoftFone体系结构

    SoftFone体系结构基于RAM，它答应一个由软件配置的硬件平台，从而答应增加新的功能以满足市场需求，同时能够更新控制软件以便跟上无线标准的演进。因此，基于RAM的方法缩短了最终产品的上市时间。SoftFone体系结构的另外一个重要的特点是模块化，它答应将DSP或者MCU内核替换成更强大的处理器内核，并且可提供和增加新的外设接口。这种体系结构通过通用的统一的存储器映射可以实现两个处理器同时对所有外设以及片内和片外存储器完全对等的访问。对存储器的访问是通过总线仲裁器(BUSARBITRATIONMODULE)完成的，从而保证了能够实现处理器内核的无缝互联所必需的吞吐率。系统同时包括充足的高速缓存，以便对于要求实时性功能至关重要的应用场合从每个内核获得尽可能最佳的性能。

    图3  SoftFone-LCR芯片组

    对于超出DSP和MCU内核本身速度能力的专用高速操作需求可以通过集成在片内或者片外的协处理器来满足要求。对于具有高级功能的BlackfinDSP内核，在用于无线手机应用(如游戏、WAP)的DSP内核中支持调制解调器功能(如均衡、信道编码)和支持应用功能(例如音频和视频处理)的DSP应用以及在MCU内核中的协议栈编码功能的传统划分方法都可以按照系统级进行重新划分以保证最终解决方案的有效实现。不同的最终产品应用需要不同的外设接口，这些接口将连接无数个可提供的外围设备，包括照相机模块、蓝牙、辅助GPS以及许多其他外设。为了建立对多种外设接口的有效支持，SoftFone体系结构引入了一种软件定义的外设接口--通用串行接口(GSP)。GSP可以通过微程序控制来支持多种串行接口，例如IrDA红外接口和通用异步收发器(UART)。另外，该体系结构还为移动媒体提供高分辨率彩色显示、多媒体卡(MMC)和安全数字(SD)卡的专用接口。

    SoftFoneLCR芯片组提供了制造TD-SCDMA移动电话所必需的全部要害功能。TD-SCDMA是3GPPTDD标准的低码片速率(LCR)版本。该芯片包括基带信号处理和控制、模拟接口功能和RF功能，为终端制造商提供了一种灵活的高集成度的平台，使TD-SCDMA移动电话设计能迅速上市并且保证低成本。

    SoftFoneLCR芯片建立在基于RAM的SoftFone体系结构基础之上，包含基于Blackfin处理器的AD6901数字基带处理器，从而达到250MHz以上的性能并且通过Blackfin处理器的动态电源治理功能实现极低功耗。芯片的基带信号处理包括全部用软件完成的结点检测和解码功能，答应终端制造商能够快速方便的适应TD-SCDMA标准的演进。该芯片组还包括AD6584模拟基带和电源治理IC，它提供TD-SCDMA移动电路所需要的全部数据转换器(ADC和DAC)以及支持语音和立体声音频的音频编解码功能。AD6584还包含移动电话必需的所有的稳压器和一个蓄电池充电器。SoftFoneLCR芯片组使用Othello-W直接变频RF收发器，为TD-SCDMA或WCDMA移动电话提供可靠的性能和灵活性。Othello-W工作在2 GHz频带，具有可编程信道带宽、自动校准DC偏移和滤波器截止频率以及超过80 dB的增益范围。SoftFone LCR芯片组还包含照相机、彩色显示器、IrDA、USB以及SD/MMC接口，答应手机制造商为多模制造出带有不同功能组合的多种设计方案。