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3G时代的DSP技术应用
2006年5月22日 15:32  来源:电子产品世界
    [摘 要]第三代移动通信技术对芯片的要求越来越高,而DSP的飞速发展使得它能迎合上这一时代。DSP芯片本身的适用新使它完全切合移动通信的需要,在解决了2G是带的技术瓶颈后,DSP在3G时代将有着广阔的应用前景。  

  一 第三代移动通信技术对芯片的要求

  近年来移动通信发展迅猛,自70年代末期模拟蜂窝系统问世以来,不到二十年时间,已经发展到以数字化技术为特征的第二代移动通信,进入90年代以后,世界各国已着手探寻第三代移动通信(即未来个人通信)的实现路径。 

  第三代移动通信标准有两个主要目标:一是实现多媒体、宽带化、智能化和高质量的全球通信;二是规范寻呼、无绳、蜂窝和低轨道卫星在内的多种标准,统一"空中接口"。IMT-2000将宽带CDMA视为优先考虑的方案,但在频分模式的选择上,欧洲建议由GSM向上过渡;北美建议由CDMA向上发展,日本力求与欧洲靠近。 

  为完成以上两个目标,同时针对前两代的移动通信系统的特点和不足,对第三代移动通信系统提出了以下要求:

  1.频谱利用率高。其中第二代的GSM系统的频带利用率是第一代的TACS系统的频带利用率的两倍,而到了第三代移动通信系统则要求达到TACS系统频谱利用率的四倍。 

  2.可提供全球无缝覆盖和漫游。就是要与已存在的第一代和第二代系统的共存与兼容,这其中包括:能否重复使用第一代和第二代的某些网络设备,如MSC,计费系统,智能平台,与PSTN的接口,用户数据库等;能否重复使用第一代和第二代系统的无线接口协议和网络接口协议;能否实现两代系统间的漫游和软切换;能否实现在新系统上支持前两代系统的业务;系统间频谱的兼容性;等等。

  3.可提供多种的业务。除提供窄带业务外,也要提供第一代和第二代所不能提供的数据速率为2MBPS的语音(包括声话码),传真以及宽带视频等多媒体业务,这就存在着话音和图象压缩技术。 

  4.多种移动通信的融合。包括蜂窝、无绳、卫星移动通信系统等。要使得系统对每个无线接口的包容性最大,以便简化多模移动终端的开发。

  5.各种运行环境。包括陆地、航空、海域和各种运行业务,要求其服务质量相当于固定网的水平,保密性好、收费合理、频率资源管理、系统配置、业务提供、网络结构等均更合理、灵活、可与智能网相结合。 

  6.系统的起始配置小而简单。可平滑升级,支持IMT2000以前系统的演进和过渡,移动终端便捷,成本低等。

  而这些要求对芯片的要求也变得更高,最典型的要求就是适用芯片应具有卓越的运行与处理能力,以及更高的兼容性。

  (一)运行速度  

  第三代移动通信要求DSP至少达到300MIPS的运算速度,才能实现各种繁杂的算法、解压缩和编译码。目前,DSP在功能上趋向实现多个MAC和多个寄存器,更宽的程序总线和数据总线;在结构上趋向采用SIMD、MIMD以及VLIW(超长指令)。第六代VLIW结构的TMS320C67x DSP产品,浮点运算速度达到1GFLOPS。用一片C67x就可完成10片普通DSP的工作,但其单价与市面上普通浮点DSP的价格相当,C67x功能之强大,足以为下一代个人通信提供高速、精确、多功能和多信道的解决方案。

  (二)兼容性

  由于在此之前有第一、第二代移动通信系统在运行,那么怎样是第三代通信系统与前两代相容,就成了一个技术难题。第一代模拟移动通信系统虽然在现在和未来都不是移动通信的发展主流,但是在全球的少数地区,例如北美的一些地区还将会存在;第二代数字移动通信系统在目前的市场占有率和普及率方面远远高于第一代和第三代,而且至少在未来的十年中将会与第三代系统并行发展,预计在第二代的发展终期,将达到全球四亿用户,这样系统的兼容性将显得非常主要。如果第三代专用芯片无法实现与第一代和第二代移动通信系统的兼容,那么第三代通信系统不但在初期的投入会很高,而且由于无法继承和使用现存的网络和移动设备,将造成巨大的资源和财力的浪费。此外,由于硬件的限制对于以后扩展新业务也是困难的,与软件升级比较,硬件的升级在时间和投入上都是困难的。就目前的发展状况而言,在各个领域和行业实现资源的共享和兼容,已成为一个明显的趋势。第三代移动通信系统的最终目标将是建成一个提供全球无缝覆盖并能实现全球漫游通信的系统。为了实现这一目标,第三代移动通信在其实现方式上采用了软件无线电技术,这可以有力的克服上述的各个困难。 

  二 DSP在移动通信中的适用性

  DSP技术是随着时代的进步迅速发展的,目前DSP领域出现了片内集成多个处理器的新型DSP芯片,其结构是将一个通用的CPU核与一个或多个专用的DSP并行单元集成在同一芯片上。这种集成度的提高极大地提高了并行算法的效率,从而可以有效地利用信号处理带宽,达到以往需要多处理手段或实现专门功能的ASIC芯片才能实现的各项功能。这是DSP技术向软件无线电迈进的关键的一步。

  在实际应用中,目前使用软件无线电技术的基站系统中已经采用多处理器的硬件结构。目前先进的可编程DSP大约可提供数百到上千MOPS的运算速度。实时软件无线电系统中基带以下部分完全可由DSP实现。

  因此,以DSP为核心的软件无线电系统对3G通信具有极大的适用性。

  典型的以DSP为核心的软件无线电多信道的硬件平台作为移动通信终端将体现出以下一些明显的优越性:

  1.方便的可量测性:无论是两个信道的基站还是上百个信道的基站都可以建立在相同基本设置的硬件上。这样可以简化设计过程,降低生产费用,减小逻辑复杂度和领域维护的需要。

  2.单个信道的低耗费:由于利用了新一代DSP芯片处理多信道的能力,软件无线电结构与将每个DSP芯片专属于每个信道的结构比较,降低了单个信道的硬件耗费。

  3.简便的软硬件升级性:当协议变动或是加入一个新特征时,只需要对新的软件进行远程下载。这样同时也降低了维护和更新的费用。硬件的升级也是比较简单,只需要将额外的插板插入底板中而不需要改变现存的设备。这从很大程度上降低了升级费用,减少了装载时间和升级时所伴随的风险。

  4.用于任何无线协议的单一结构:以DSP为核心的软件无线电结构支持所有的主要的协议。该硬件平台上为所有的通信协议提供了统一的平台,而不是针对一个特殊协议设计专门的平台。这样从很大的程度上降低了开发时间和逻辑分配的费用。 

  这种硬件平台在第三代移动通信终端设备中的应用是十分广泛的,包括:蜂窝式/PCS-模拟、TDMA、GSM、CDMA,军事通信,无线本地环,扩频,信号智能化,智能天线,卫星通信等等。

  三 2G时代技术的瓶颈限制

  其实,DSP技术在2G时代就已经开始应用。蜂窝电话的核心是一个DSP芯片。

  所有第二代(2G)数字蜂窝电话都是基于双处理器体系结构的;即包含一个数字信号处理器(DSP)和一个简单指令集计算机(RISC)微控制器(MCU)。其中,DSP用来实现调制解调器和通信协议栈中物理层协议的功能;而MCU则用来支持用户操作界面,并实现通信协议栈中上层协议的各项功能。

  在已有的2G手机市场中, TI公司生产的TMS320C54X系列DSP芯片占据了主导地位,65%的蜂窝电话采用了这类芯片。在时分多址(TDMA)模式手机中,DSP芯片负责实现数据流的调制解调,利用编解码实现传输误码纠正并维持通信链路的稳定性,对数据进行加密、解密以保证通信的安全性,对话音数据进行压缩和解压缩。以后的码分多址(CDMA)标准尽管会采用扩频技术并由此产生码片级数据速率,手机功能划分的方案也会发生相应的变化;但是,DSP芯片仍然会是手机的关键部件。

  在CDMA模式手机中,DSP芯片负责实现符号级功能,如前向纠错、加密或语音压缩和解压缩。与此同时,DSP芯片还可以负责控制ASIC硬件;其中,后者负责对扩频信号进行调制解调及后处理。在早期的2G手机中,这些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片实现,其时钟工作频率大约为40MHz。在2.5G手机中,语音编码芯片较以前更为复杂,数据速率进一步上升,DSP芯片的时钟工作频率也随之上升到了超过100MHz。

  数字技术的一大优点,就是可以支持多种数据通信业务。然而,由于受到带宽的制约,2G移动电话只能为用户提供几种相对简单的数据通信业务。在大多数数字移动通信标准中,最高的数据传输速率仅为9.6至14.4千比特每秒(Kbps)。尽管,如此低速率的数据传输能力已经可以满足最基本的数据应用的要求,如:浏览股票报价等;但是,为了实现包括互联网接入在内的高级业务,就必须提供更高速率的数据传输能力。这就是2G移动通信标准向2.5G和3G移动通信标准转变的根本动力。

  四 DSP与3G技术的结合应用平台

  1.软件无线电技术

  在软件无线电技术中,其核心就是采用一个通用的DSP硬件平台并通过软件的方式来实现第三代移动通信的目标。目前,由于微电子技术的限制,DSP芯片的处理能力尚无法完成中频部分的处理,但是通过DDC下变频之后,则是由DSP完成整个基带部分的处理。

  以下针对设计一个高灵敏度,宽边带的移动通信终端设备,将介绍一种典型的以DSP为核心的软件无线电硬件平台,其中该硬件平台具有高级路由选择特点和下一代的DSP芯片,这可以使得设计者为任何大小的基站设计能够支持任何无线通信协议的软件无线电。

  (1)网络接口:

  这个模块提供外部接口。该外部接口既可以是一个标准接口,例如T1/E1;也可以是用户自定义接口。

  (2)处理器模块:

  这个模块采用通用的DSP芯片,该芯片经过编程之后几乎能够处理各种类型的信号。这些需要在RF域和网络域的数据(语音)比特中的I和Q之间翻译表示的,处理的类型和数量是由用户自定义的,其中I和Q为正交分量。 

  (3)采集和综合模块:

  这个模块是建立在模拟的RF域和处理器的数字基带域之间的桥梁。在接收端,该模块从RF模拟域接收一个宽边带信号,并将其通过模数转换器。数字接收机处理这个数字化的宽边带信号,从中选择单个的窄边带信道,然后将该信道的信号搬移至基带,并对其滤波和抽样。它的输出可在多信道应用中,通过多数字接收机来处理。

  2.开放式多媒体应用平台(OMAP) 

  开放式多媒体应用平台(OMAP),是专门为支持2.5G和3G应用需求而设计的应用处理器体系结构。此平台的设计方案基于以下两个基本假设: 
  在2.5G和3G产品中,应用将主要面向各种媒体,为了满足其对性能和功率效率的要求,我们必须采用包含DSP和MCU在内的多处理器平台。OMAP是专为优化多媒体应用性能而设计的,它可以提升任何支持语音、音频、图像或视频信号处理的应用的性能。应用环境是动态的。因此,您可以不断地将新的应用软件下载至RISC和DSP芯片中。 

  其中: 

  (1)DSP/MCU处理 

  OMAP体系结构的主要优势在于,由两个独立的组件来完成应用处理任务。其中,MCU负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的应用处理;而DSP负责完成媒体处理。与单一处理器功能的结构方案相比,这种方案具有一个明显的优势,即:可以提高功率效率,并延长用户的电池寿命。首先,DSP芯片是专门为处理实时媒体信号(如:音频、语音和图像/视频信号)而设计和定制的。其次,采用两个处理器可以将总工作负荷进行合理划分,从而降低时钟工作频率,减小功率消耗,进一步降低系统成本。OMAP DSP第二个特色就是可以支持一系列半定制可编程硬件协处理器;在特定应用中,采用这种方案可以显著地提高系统性能和功率效率。

  OMAP另外一个关键因素是软件基础结构,它允许在MCU上运行的应用程序启动和控制在DSP上运行的任务。因此,MCU应用程序开发人员可以利用高层多媒体应用程序接口(API)完全控制DSP MIPs。多种MCU操作系统都将支持这种软件基础结构,其中包括Microsoft公司的WinCE和Symbian公司的EPOC。 

  (2)内存 & 流量控制器(MTC) 

  MTC的主要功能就是确保处理器能够高效访问外部存储区,并避免产生瓶颈现象,从而降低片上处理速度。最终目标就是提高OMAP平台整体的"有效频率"。"有效频率"概念是由德州仪器公司提出并定义的。它是指去除超高速缓冲存储器波动/差错、外部存储区读写冲突、固有的存储区等待时间等各种因素的影响,每秒钟内真正分配给特定应用的处理器运算周期数。为了优化OMAP体系结构,我们对处理器时钟频率、超高速缓冲存储器、存储器速度和数据总线宽度等参数进行了多元分析仿真,其中包括GSM协议软件和DSP应用(如:GSM语音编码器和MPEG4视频编解码器)等基准仿真。例如,在运行GSM 2/3层协议栈中的代码时,我们对MCU超高速缓冲存储器进行了如下配置: 

  超高速指令缓冲存储器: 16KB,双向成组相联;16B/线; 
  超高速数据缓冲存储器: 8KB,双向成组相联;16B/线; 

  仿真结果表明,采用这种结构时,超高速指令缓冲存储器的差错概率为3.4%,而超高速数据缓冲存储器的差错概率为9%。同样,我们利用GSM语音编码器基准对DSP超高速缓冲存储器进行了类似的分析。超高速缓冲存储器尤其适用于DSP代码,因为DSP多数操作是较短的、紧密的循环操作。分析结果表明,我们应该选择如下配置:16KB DSP双向成组相联超高速指令缓冲存储器,独立8KB RAM组,每线16字节。仿真表明,采用这种结构时,DSP指令差错概率为1%。

  五 越来越明朗的3G应用前景

  目前,手机是一个封闭的、静态的、嵌入式系统的完美范例。其功能在生产过程中就已经确定了。尽管手机也可以支持话音业务以外的简单应用(例如,基于文本的信息服务),但是,它的主要目的是为用户建立一个话音通信信道--这是一个固定的、实时的、集中的DSP任务。未来的移动电话市场可能会发生分化。传统的、以话音业务为主的移动电话将有可能继续占有一定的市场份额;另一方面,市场中将出现混合式移动通信设备,其调制解调器通信功能是不可或缺的,此类手机将应用于一种或多种数据应用。

  可以预测,随着互联网的发展,我们将极有可能获得可下载的、消费者随心所欲选择的网络资源。今天,我可能选择下载一个MP3播放器应用程序;明天,手机就有可能支持电视会议,或者变为GPS辅助导航仪。从某种意义上说,手机将具有类似于个人计算机的特性。它将变为一个应用平台。 

  应用的要求可能是无止境的。因此,DSP技术在移动通信中仍然具有无限广阔的应用与发展空间。

  (1)多芯片共行。基带DSP资源必须同时支持实时通信和用户交互式多媒体应用。因此,为了处理更大的数据带宽和专用DSP功能(如:语音识别、音频解压缩、图像/视频编解码),系统将极大地增加对DSP芯片MIPS(每秒执行兆指令数)的消耗,从2G或2.5G手机的50-100MIPS增长到500MIPS以上。由于实现通信调制解调器和动态应用平台时,对处理器MIPS负荷和环境的需求不同,未来的手机可能会采用多个DSP芯片 --一个DSP芯片用来实现固定功能,嵌入式调制解调器;另外一个更加灵活的DSP芯片用来实现各种应用。 

  (2)通用处理。在未来的手机中,为了支持各种可下载应用,3G应用DSP的体系结构和软件基础结构会不断变化。此时,DSP将不再像一个固定的功能或嵌入式处理器。它将开始呈现出许多类似于通用处理器的特征。它将要求使用诸如超高速指令缓冲存储器和内存管理单元等功能。而且,为了实现动态任务管理,它还需要一个实时操作系统。 

  DSP芯片作为一个具有诸多优点的通用硬件芯片,还能满足未来的发展需要。并且,在多种体制并存的时代里,由于以DSP为核心的通用硬件平台,可以通过不同的软件加载的方式来实现这种兼容。伴随着未来电子技术的不断发展,DSP的处理速度将会不断的提高,其在第三代移动通信中的应用范围也将越来越广泛。
 
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