移動設備間的功能融合意味著這些眾多的射頻通信/廣播標準組合也將出現在PDA、筆記本電腦和游戲機上。對這些消費類產品而言,其體積、成本和功耗約束使得每個標準使用一個專用無線收發器的方案不再可行。而利用先進的可編程數字信號處理器(如嵌入式矢量處理器,簡稱EVP)來實現軟件無線電(SDR)是一種理想的解決方案:單個模塊就可以處理所有這些標準。

藍牙和Wi-Fi等專用無線收發器模塊取得市場成功的原因之一是,這些通信模塊大多數是附加功能,而不是標準配置。因此,那些允許制造商通過簡單地插入適當的模塊(包括必要的射頻和基帶處理部分)配置出支持不同標準設備的方案具有明顯的好處。

然而,隨著這些無線通信信道逐漸成為設備的標準配置,繼續使用這種專用模塊具有很大的問題。不僅各個模塊的總體積很難被容納,總的功耗也會大大縮短電池使用時間,而且硅片面積的增加將對生產成本產生負面影響。另外,在多個通信信道必須同時激活的情況下,多個模塊的共存將出現問題,因為天線之間會產生相互干擾。

多通信信道

減少體積、成本、功耗以及天線干擾意味著需要采用一種特殊的架構,在這種架構中所有或部分射頻和基帶功能將共享給不同的射頻通信信道。例如在某個集成解決方案中,工作在相同頻段的多個信道(如藍牙和)可以智能地共享天線、低噪聲放大器和混頻器等射頻硬件。同樣的,使用相似調制機制的信道可以共享單個可編程modem。

這樣就形成了新的多頻段多模式架構,在這種架構中不同的射頻部分、不同的modem被集成在一起,彼此間最好還要有一個標準化的數字接口。為了讓單個硬件modem向多個不同的無線通信信道提供服務,需要采用高度靈活、軟件可編程的modem引擎。

 圖1:NXP公司提出的通信管線和內部硬件上的模塊映射示意圖。  

實際上,modem引擎是制造商在市場中實現產品差異化的最好切入點之一,因為這些引擎可以用來增強無線性能。任何移動通信標準的空中接口都有嚴格的定義,除了選擇最好的實現技術外(如使用合適的RF CMOS、BiCOMS或GaAs工藝技術),制造商難有增強射頻前端性能的空間。處于modem管線另一端的編解碼器的實現所要求的算法類型也有完善的定義。而位于射頻前端和編解碼器之間的modem就顯得非常重要了,在這里可以利用專有IP先對調整調制/解調后的信號進行處理,然后再送到編解碼器,從而獲得更低的誤碼率(BER),或在BER一定的條件下降低發送/接收功率。

由于上述信號處理和調整必須適應局部條件,如多徑衰落和干擾,因此通過在高端軟件可編程DSP上運行的DSP算法來完成這一任務是非常理想的。這種可編程方法可以適應不斷變化的標準和現場測試結果,而且能夠增加新的更智能的算法(如為了改善信噪比),這在硬件解決方案中是很難在后續流程中不經過硅片重新設計就能實現的。

鑒于這些算法的復雜性,modem管線應用中使用的處理器必須具有超強的性能,一般要超過每秒1萬兆次操作(Gops)。然而,采用這些設計的設備一般是電池供電的移動設備,也就意味著這些處理器必須消耗很少的功率(一般不超過數百毫瓦)。采用先進的低功率/低漏電流CMOS制造技術將使處理器的最高時鐘速率限制在300MHz。為了在這種時鐘速率下達到要求的Gops性能,處理器必須采用很高層次的并行機制(比如通過執行矢量寬度處理)。

可以經過矢量化在矢量處理器上運行的算法包括了信號調整功能,如均衡、干擾抵消和多徑相關(Rake接收機),以及信號處理功能,如同步、正交幅度調制(QAM)映射/去映射以及OFDM解調用的FFT。

軟件可編程性能當然還有其它的優勢。它能讓OEM利用單個免費的硅片平臺實現產品的差異化,它有助于未來升級成更新更先進的算法。在升級modem性能或者在設計過程中增加性能時,基于DSP的modem也表現得更加靈活?？删幊碳軜嫷奶娲桨付加心男┠兀磕壳坝袃煞N其它的方法可以使用:硬連線的專用構建模塊和可重復編程/可重復配置的硬件(如FPGA)。

硬連線的構建模塊目前主要用于只實現相對較少(固定)數量標準的手機。雖然對有限的這些應用中它們極具性價比,但隨著標準數量的增加,它們所需的面積會急劇增加。事實上,最近NXP公司對目前可用解決方案所進行的分析表明,使用專用模塊方法在單個設備中處理Edge、R'99、HSDPA和HSUPA標準的解決方案所需的面積要比可編程解決方案(如NXP的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同標準有很大的區別,而用硬件解決方案實現標準間的高效資源共享要想優化到這個水平所需的開發時間太長?？删幊探鉀Q方案還允許增加新的更智能的算法而不要求新的出帶,同時可以適應不斷變化的標準和現場測試結果。

其它常見的解決方案是使用可編程/可重配置硬件,如FPGA(這是3G基站的典型方案)。雖然這里的資源再利用水平甚至比可編程解決方案高,但目前的FPGA在硅片面積方面仍然較昂貴,因為與固定實現(專用硬件或可編程架構)相比,它的有效門面積小很多。另外,較大的面積會直接影響手機的待機時間,這意味著漏電流可能是個問題。

因此從面積/成本的角度看,可編程架構是最佳的解決方案。可編程架構的功耗要比硬連線解決方案稍高些,但從更大的系統角度看,這個折衷是可以接受的,因為增加的功耗可以在其它地方得到補償。例如在系統研究中,NXP發現待機功率有所降低,因為可編程方法可以實現更智能的算法以縮短待機時的激活時間。

圖2:根據單個任務運算量,軟件定義無線電可實現微控制器、DSP等多功能混合。  

軟件無線電

在實現SDR時,“矢量處理器”被推薦為經典SIMD處理類型的擴展。增加“矢量內部處理”可以實現矢量內部單元間的交互。這樣在通信信號處理中常見的FFT蝶形運算、導頻信道刪除和其它運算需要時,可以對矢量內的數據進行任意重排序。

與純SIMD相比,這種方法可以顯著提高運算效率。在這種情況下如果用純SIMD方法,低效運行的順序處理方式通常是唯一可用的解決方案。由于可編程EVP可以為許多不同的通信標準實現高度自適應的modem功能,并能協商實現從一種標準到另外一種標準的平滑過渡,因此可編程EVP是軟件無線電的關鍵實現單元。

除了滿足非常高的Gops條件外,這種處理器還能滿足電池供電、便攜式產品的硅片面積和成本要求。其非常高等級的可編程性不僅能夠適應移動設備中無線通信系統的多樣性,還允許制造商緊跟這些標準的發展和使用情景以及新算法的開發?？删幊蘀VP還可以幫助制造商“空中”修復或升級他們的產品,并通過部署更廣的覆蓋率或更高的數據下載速率來減少現場返修率或增強用戶體驗。

然而,矢量處理器的軟件可編程特性只能在縮短上市時間、增加產品差異性或降低成本方面提供真正價值的時間和場合發揮作用。事實上仍有相當多的基帶處理場合不適合軟件可編程,而硬連線、更專用的子模塊更合適。

例如,包含Viterbi和Turbo編碼/解碼功能的編解碼器在軟件可編程編解碼引擎上可能要占用巨大的處理資源,特別是數據比特率很高時(一般超過100Mbps)。然而,這些功能并不真正需要軟件可編程性,因為標準之間的差異很小。因此采用可重配置編解碼器解決方案實現這些功能的硬件加速比用軟件可編程方案更有意義。對信道濾波來說同樣是這樣。

軟件無線電因此不可能完全是軟件可編程的解決方案。事實上,在SDR的射頻前端將是可編程性和軟件控制下的可重配置性的混合,其中嵌入式微控制器、數字信號處理器、矢量處理器和硬件加速器都各有用武之地。

隨著模數和數模轉換向中頻級電路的轉移,SDR也可能影響到未來多模式、多信道射頻收發機的劃分。信道濾波、modem和編解碼功能可能要么移到主機的基帶芯片中,要么被集中到單獨的連接modem引擎。這樣做不僅可以減少芯片數量,而且允許modem和基帶功能從一種CMOS工藝技術快速轉換到另一種,從而快速實現成本降低。同時,射頻前端和功放仍能繼續利用可以提供合適性能的技術實現。對2G、和3G手機收發器而言,在今后一段時間內仍可能繼續使用BiCMOS或III-V工藝,雖然一些低端應用領域已在向RFCMOS轉移。

Kees Moerman

DSPC創新中心首席架構師

NXP Semiconductors