3G时代的DSP技术应用

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.可提供无缝覆盖和漫游。就是要与已存在的代和第二代系统的共存与兼容，这其中包括：能否重复使用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，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，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
　　-餐 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、、多功能和多信道的解决方案。
　　（二）兼容性
　　由于在此之前有、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。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终目标将是建成一个提供无缝覆盖并能实现漫游通信的系统。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。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，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为的软件无线电硬件平台，其中该硬件平台具有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至RISC和DSP芯片中。