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软体无线电瞄向多模手机的设计
作者:admin    文章来源:Jose Fridman,Doug Grant,Zoran Zvonar    点击数:    更新时间:2008-5-19    
编者按:软体定义的无线电(SDR)技术在制作2G/2.5G+3G双模或多模手机的应用方面已取得一定进步,但其高成本和高功耗仍令人无法接受。 本文提出使用可程式的RF和混合訊號硬體模組的過渡策略,使包含DSP等核心的數位基頻逐步升級為純粹的SDR平台。 本文提出使用可程式的RF和混合讯号硬体模组的过渡策略,使包含DSP等核心的数位基频逐步升级为纯粹的SDR平台。

在無線通訊領域,以數據為中心的行動應用催生了新的3G標準。在无线通讯领域,以数据为中心的行动应用催生了新的3G标准。 不幸的是,3G系統需要比2G系統更高的訊息通道頻寬和更複雜的調變方案。不幸的是,3G系统需要比2G系统更高的讯息通道频宽和更复杂的调变方案。 如果使用相同的硬體,系統很難實現後向相容。如果使用相同的硬体,系统很难实现后向相容。

對試圖製作雙模或多模手機的設計師而言,目前有幾種可能的解決方案。对试图制作双模或多模手机的设计师而言,目前有几种可能的解决方案。 一種極端的做法是採用‘強制’方式,即建構兩條完整的訊號鏈,每條鏈路專用於一種空中介面;然後將它們強行設計到單部手機中,僅在用戶介面處合二為一。一种极端的做法是采用‘强制’方式,即建构两条完整的讯号链,每条链路专用于一种空中介面;然后将它们强行设计到单部手机中,仅在用户介面处合二为一。 另一種極端做法是軟體定義的無線電(SDR),即依靠一個公共硬體平台使用軟體來判定正處理的訊號屬於哪種類型,然後執行相應的處理。另一种极端做法是软体定义的无线电(SDR),即依靠一个公共硬体平台使用软体来判定正处理的讯号属于哪种类型,然后执行相应的处理。

最近,SDR技術的進步使之打開了基地台應用的大門,而針對手持設備的解決方案可望接踵而至。最近,SDR技术的进步使之打开了基地台应用的大门,而针对手持设备的解决方案可望接踵而至。 不過,這種可重配置解決方案的預期好處還是被高成本和高功耗所抵銷。不过,这种可重配置解决方案的预期好处还是被高成本和高功耗所抵销。 考察一下SDR的實際情況,妨礙其在無線產業獲得更廣泛應用的主要障礙正是令人望而卻步的高成本。考察一下SDR的实际情况,妨碍其在无线产业获得更广泛应用的主要障碍正是令人望而却步的高成本。

伴隨著每一代新無線標準的問世,基地台對運算能力的需求都將急劇增加。伴随着每一代新无线标准的问世,基地台对运算能力的需求都将急剧增加。 雖然對更高性能的需求是恒定不變的,但同等重要的參數(如功耗、成本和電路板面積)開始被用來評估設計價值,通常是以每通道的指標作為標準。虽然对更高性能的需求是恒定不变的,但同等重要的参数(如功耗、成本和电路板面积)开始被用来评估设计价值,通常是以每通道的指标作为标准。

基地台設計包含以下常用建構模組:射頻、轉換器、基頻處理和控制。基地台设计包含以下常用建构模组:射频、转换器、基频处理和控制。 這些功能的分割取決於具體的無線標準。这些功能的分割取决于具体的无线标准。 對於2/2.5G系統,典型的架構由一個多訊息通道前端、寬頻RF和轉換器、數位接收/發射處理器和一個DSP組成。对于2/2.5G系统,典型的架构由一个多讯息通道前端、宽频RF和转换器、数位接收/发射处理器和一个DSP组成。 由於3G系統對處理能力的需求更高,設計師目前採用各種不同的技術來實現基頻處理。由于3G系统对处理能力的需求更高,设计师目前采用各种不同的技术来实现基频处理。 它們包括ASIC、FPGA、DSP與FPGA的混合方案、各種不同形式的可程式專用標準產品以及完全可程式的DSP。它们包括ASIC、FPGA、DSP与FPGA的混合方案、各种不同形式的可程式专用标准产品以及完全可程式的DSP。 這些方案的差別在於每訊息通道的成本、功效、開發時間、靈活性及編程的易驗證性,這些指標最終將決定成本的差異。这些方案的差别在于每讯息通道的成本、功效、开发时间、灵活性及编程的易验证性,这些指标最终将决定成本的差异。 除了高運算能力外,基於軟體的解決方案還應該擁有足夠的記憶體和I/O頻寬,而且能夠無縫地工作在多處理器環境中。除了高运算能力外,基于软体的解决方案还应该拥有足够的记忆体和I/O频宽,而且能够无缝地工作在多处理器环境中。 图:SDR技术可望用于制作多模手机。

現在,由於有了合適的DSP,軟體定義的3G基地台即將上市。现在,由于有了合适的DSP,软体定义的3G基地台即将上市。 TigerSharc系列的ADSP-TS201處理器正是一款這樣的DSP,它具有所需的資源,能以一種純粹基於指令的方法有效實現整個3G基頻實體層協議棧,包括路徑搜索、解擴頻和解碼等。 TigerSharc系列的ADSP-TS201处理器正是一款这样的DSP,它具有所需的资源,能以一种纯粹基于指令的方法有效实现整个3G基频实体层协议栈,包括路径搜索、解扩频和解码等。 這歸功於以下兩個措施:一、增強了傳統指令的平行能力;二、定義了一套專用指令集。这归功于以下两个措施:一、增强了传统指令的平行能力;二、定义了一套专用指令集。 基於指令的解決方案具有極強的靈活性,表現在諸多方面:適應多種空中介面的靈活性;動態的可重配置,以實現負載平衡;以及在同一子程式內可以選擇位元精密度。基于指令的解决方案具有极强的灵活性,表现在诸多方面:适应多种空中介面的灵活性;动态的可重配置,以实现负载平衡;以及在同一子程式内可以选择位元精密度。

在傳統方法中,ASIC或FPGA被用於晶片率(chip-rate)處理。在传统方法中,ASIC或FPGA被用于晶片率(chip-rate)处理。 在語音(高晶片率、低符號率)與數據(低晶片率、高符號率)通道混合的應用中,傳統方案按照最壞的情況,設計成硬分割的系統。在语音(高晶片率、低符号率)与数据(低晶片率、高符号率)通道混合的应用中,传统方案按照最坏的情况,设计成硬分割的系统。 但基於軟體的解決方案能夠動態地轉移處理負載。但基于软体的解决方案能够动态地转移处理负载。 在基地台中使用可程式DSP的其它好處包括:靈活的調度、解擴能力、有效地為多個晶片分配任務以及支援高級接收機技術,如多用戶檢測、干擾抑制和多天線等。在基地台中使用可程式DSP的其它好处包括:灵活的调度、解扩能力、有效地为多个晶片分配任务以及支援高级接收机技术,如多用户检测、干扰抑制和多天线等。

目前,在蜂巢式基地台中,SDR技術已經得到驗證,所以將該技術轉移到行動電話中應該不是難事。目前,在蜂巢式基地台中,SDR技术已经得到验证,所以将该技术转移到行动电话中应该不是难事。 但用於手機與用於基地台的元件存在兩個重大區別:成本和功耗。但用于手机与用于基地台的元件存在两个重大区别:成本和功耗。

基地台對成本和功耗的要求不像手機那樣嚴格。基地台对成本和功耗的要求不像手机那样严格。 如果採用處理速度達數百MIPS的DSP來實現SDR,那麼與基於ASIC的硬連線設計相較,元件的成本很容易被可重配置能力所抵銷。如果采用处理速度达数百MIPS的DSP来实现SDR,那么与基于ASIC的硬连线设计相较,元件的成本很容易被可重配置能力所抵销。 雖然基於軟體的設計每通道功耗通常比基於ASIC或FPGA的設計低,但兩種方案都是基於使用線電源的假設,這使得低功耗只是一個額外的好處,而非必然結果。虽然基于软体的设计每通道功耗通常比基于ASIC或FPGA的设计低,但两种方案都是基于使用线电源的假设,这使得低功耗只是一个额外的好处,而非必然结果。

但蜂巢式終端是對功耗和成本要求最苛刻的電子產品之一。但蜂巢式终端是对功耗和成本要求最苛刻的电子产品之一。 手機使用的電池必須足夠小,以便能裝進符合客戶要求的微型外殼中,但其支援的待機和通話時間卻要分別達到300和3小時左右。手机使用的电池必须足够小,以便能装进符合客户要求的微型外壳中,但其支援的待机和通话时间却要分别达到300和3小时左右。

在手機中採用多模SDR技術是一項令人生畏的挑戰,但正取得穩步進展。在手机中采用多模SDR技术是一项令人生畏的挑战,但正取得稳步进展。 功耗約束也許是最大的挑戰,因為建構GSM/W-CDMA雙模終端所需的處理速度將導致可攜設備無法接受的高功耗。功耗约束也许是最大的挑战,因为建构GSM/W-CDMA双模终端所需的处理速度将导致可携设备无法接受的高功耗。

介於雙訊號b鏈方法與純SDR手機之間的折衷步驟是使用可程式的硬體模組將數位基頻處理器逐步升級到純粹的SDR技術。介于双讯号b链方法与纯SDR手机之间的折衷步骤是使用可程式的硬体模组将数位基频处理器逐步升级到纯粹的SDR技术。 所需的硬體模組包括RF和混合訊號部份。所需的硬体模组包括RF和混合讯号部份。 因為在世界大部份地區,用於GSM/GPRS和3G/W-CDMA的RF頻帶是不同的,所以需要多頻帶RF。因为在世界大部份地区,用于GSM/GPRS和3G/W-CDMA的RF频带是不同的,所以需要多频带RF。 此外,因為網路之間需要交接,所以有必要提供一種平滑的方式來作業這些轉換。此外,因为网路之间需要交接,所以有必要提供一种平滑的方式来作业这些转换。 使RF問題進一步複雜化的事實是,3G標準需要線性功率放大器和全雙工作業(同時發射和接收),而GSM/GPRS對線性度的要求相對較寬,所需要的是時域雙工作業。使RF问题进一步复杂化的事实是,3G标准需要线性功率放大器和全双工作业(同时发射和接收),而GSM/GPRS对线性度的要求相对较宽,所需要的是时域双工作业。 雙模RF和功率放大器已經問世,主要的實現問題大部份已經解決:首選的技術是直接轉換RF和線性功率放大器。双模RF和功率放大器已经问世,主要的实现问题大部份已经解决:首选的技术是直接转换RF和线性功率放大器。

類似地,W-CDMA與GSM/GPRS之間的訊號頻寬相差25倍,這使混合訊號部份的設計變得複雜,特別是基頻A/D和D/A轉換器及其相應的濾波器。类似地,W-CDMA与GSM/GPRS之间的讯号频宽相差25倍,这使混合讯号部份的设计变得复杂,特别是基频A/D和D/A转换器及其相应的滤波器。 在RF部份,採用可程式硬體的解決方案已經得到驗證,而且設計師已經能很好地理解其中的技術難題。在RF部份,采用可程式硬体的解决方案已经得到验证,而且设计师已经能很好地理解其中的技术难题。

數位基頻平台已逐漸成為具有最高可程式性的無線手機的關鍵元件。数位基频平台已逐渐成为具有最高可程式性的无线手机的关键元件。 根據不同的終端架構和整合水準,數位基頻包含一組完整的基頻處理功能,而且通常依賴於多核心平台,包括DSP和MCU核心、針對指定無線標準的專用硬體功能(加速器、協同處理器等)以及相對較大的內部記憶體。根据不同的终端架构和整合水准,数位基频包含一组完整的基频处理功能,而且通常依赖于多核心平台,包括DSP和MCU核心、针对指定无线标准的专用硬体功能(加速器、协同处理器等)以及相对较大的内部记忆体。

根據DSP提供的處理能力,許多功能可以用軟體來實現。根据DSP提供的处理能力,许多功能可以用软体来实现。 隨著時間的推移,舊有標準的功能傾向於從專用硬體模組轉移到DSP。随着时间的推移,旧有标准的功能倾向于从专用硬体模组转移到DSP。 另一方面,新的高複雜功能又需要專用硬體來完成,如晶片率處理、蜂巢式搜索、路徑搜索演算法和turbo解碼等。另一方面,新的高复杂功能又需要专用硬体来完成,如晶片率处理、蜂巢式搜索、路径搜索演算法和turbo解码等。

因此,我們已邁出採用SDR來製作多模3G手機的第一步。因此,我们已迈出采用SDR来制作多模3G手机的第一步。 時間將證明SDR技術的支援者是否與發展GSM標準的先驅一樣具有遠見。时间将证明SDR技术的支援者是否与发展GSM标准的先驱一样具有远见。

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