无线通信标准令4G调制解调器更加弹性化

 

　　通信技术日新月异，给人们带来不少享受。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。 4G系统能够以100Mbps的速度，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。 很明显，4G有着不可比拟的优越性。

　　WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16.WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离远可达50km.WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。

　　多模共存势在必行基频设计考验加剧

　　虽然目前对于第四代无线通讯（4G）江山谁属的讨论，支持LTE的声浪已日益高涨，但由于两者的应用目标仍有部分未重叠的市场，因此终结果极有可能是两者共存，在不同地区服务不同的用户群。为了确保两个标准都为4G数据机所支援，市场便需要一种能够同时满足在两种技术发展蓝图的灵活解决方案。

　　移动数据机的发展所面对的限制，不单限于越来越复杂无线标准。今天的智慧型电话必须支援多个无线介面。除WiMAX和LTE之外，4G 移动设备还须支援大量无线介面，如GSM、整体封包无线电服务（GPRS）、增强数据率GSM演进（EDGE）、宽频分码多重存取（WCMDA）、高速封包存取（HSPA）和推出的强化版高速封包存取（HSPA+）等。对数据机芯片供应商而言，这些主流标准都是必须支援的标准项目。

　　由于无线基频市场的未来不可预见，芯片供应商所面临的环境十分严酷。日益高昂的芯片开发成本和标准本身仍持续演变的现实，均使终端数据机的传统硬体线路设计方法要面对更大的风险。譬如供应商可能押错宝，使得芯片瞄准错误的标准，终导致解决方案在发表之前就惨遭淘汰。更重要的是，硬体线路很难在不进行大量设计变更的前提下支援所有标准，故其成本高昂、体积笨重且功耗大。

　　这自然催生了具有足够灵活性，支援多个标准并能缩短开发周期的可编程解决方案的需求。

　　混合式/SDR架构将成主流

　　特别提款权（special drawing right,SDR,亦称纸黄金）是国际货币基金组织创设的一种储备资产和记账单位，亦称"纸黄金（Paper Gold）".它是基金组织分配给会员国的一种使用资金的权利。会员国在发生国际收支逆差时，可用它向基金组织指定的其他会员国换取外汇，以偿付国际收支逆差或偿还基金组织的贷款，还可与黄金、自由兑换货币一样充当国际储备。但由于其只是一种记账单位，不是真正货币，使用时必须先换成其他货币，不能直接用于贸易或非贸易的支付。因为它是国际货币基金组织原有的普通提款权以外的一种补充，所以称为特别提款权。

　　虽然如此，在新一代移动基频芯片的设计中，硬体线路方案还是三大主流之一，因为这种方案具备可让首批芯片快速上市的优势。此外，针对某个特定标准而设计的硬体，通常可确保功耗。但由于缺乏灵活性，也不能因应标准更新做出快速的反应，因此提供另两种方案崛起的机会。

　　目前移动宽频数据机芯片市场上，为了解决纯硬体方案弹性不足的缺点，已发展出混合式方案和软体定义无线电（SDR）两种以弹性见长的设计方式。混合式架构是将硬体线路设计与可程式设计处理器结合在一起，数据机中须保持设计弹性的部分，以嵌入式数位讯号处理器（DSP）和软体演算法来实现。只有运算密集和灵活性较小的数据机部分，如傅立叶变换（FFT），才利用硬体线路的作法来实现。

　　软体定义无线电则是一种完全的「软体数据机」实现方案，可在同一块芯片上以软体同时支援多个无线标准。这种方案采用完全可编程设计解决方案，具有全面的灵活性，能够处理多个现有或未来的标准，而毋须对芯片进行重新设计。然而这类方案并非十全十美，其主要问题在于，和所支援标准而优化的硬体线路方案相比，软体定义无线电芯片的设计工作较复杂，功耗通常也较硬体线路方案高，因此若要采取软体无线电来开发数据机芯片，则低功耗与简化设计将是两大重点。

　　由于采用纯硬体方案存在高风险性，无法满足当前不可预测的市场需求，所以现阶段大多数供应商不太可能选择完全硬体化的设计架构。因此，在新一代移动宽频数据机芯片市场上，后两种可编程设计方案才是各家供应商选用的主流开发策略。

　　高性能DSP扮演关键角色

　　数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　为了在新一代移动宽频数据机芯片中保持一定弹性，高效能的通用型DSP所扮演的角色，将日益吃重。目前在各种移动和无线应用中的数据机芯片已内建数量不等的DSP。这类高效能DSP均采用混合了超长指令集（VLIW）和单指令多资料（SIMD）架构的混合式架构。

　　VLIW允许以高阶语言（如C语言）撰写的程式码进行平行指令处理，从而提供更佳的平行运算能力，并有助降低芯片的功耗。以高阶C语言来进行程式设计，可大幅减少研发团队的设计时间，并降低开发成本，缩短上市时间。图1为此类DSP的典型功能方块图。

图1　可支援VLIW和SIMD的混合式DSP功能方块图

　　以CEVA-X1641的DSP为例，这是一款具备四个乘累加器（MAC）单元的嵌入式DSP,由四个资料宽度为16位元的MAC单元组成。若芯片制造商以65奈米制程来实现此一，即便是在差的条件下，该的运行时脉也能高达700MHz.

　　这种高性能且易于使用的DSP针对移动数据机系统单芯片（SoC）提供多个软硬体分区。不同的基频客户能在自己的数据机设计中，采用从单到多的不同实现方案和分区，并结合不同的硬体加速器来完成数据机功能。

　　SDR设计考验DSP

　　除了前文所提的混合式架构外，目前业界也开始出现软体定义无线电概念的实作芯片方案。如果要开发出在功耗、成本、尺寸等各个面向上均具备市场竞争力的软体定义无线电数据机，则必须更小心地评估其所采用的DSP。因为在此架构下，数据机的所有功能都是透过DSP和软体演算法来实现的。

　　若选择软体定义无线电架构，其芯片所采用的DSP通常必须针对先进的无线通讯而设计与化，以确保其运算能力可以支援各种不同移动宽频标准。

　　目前在DSP授权市场上，已有足堪担此重任的DSP问世，可支援要求严苛的4G移动标准如第五类LTE（LTE Cat. 5）和IEEE 802.16m,而且也能同时兼容现有的3G与3.5G无线通讯标准。也唯有采用能满足上述标准所立下的效能门槛的DSP，芯片供应商才能同时在单一架构中支援多种无线介面，实现真正的软体式数据机。

　　这类DSP是以单一引擎来完成所有无线处理工作，毋须仰赖多颗基频辅助处理器。对于软体定义无线电数据机的商品化而言，至关重要，因为以往的软体定义无线电方案通常是以一颗主DSP芯片搭配基频辅助处理器的方式实现。

　　这类分散式架构除采用多颗处理器外，还必须采用额外的记忆体、资料缓冲器等元件，因此整个系统的功耗和尺寸相当可观，成本亦过于高昂。

　　事实上，软体无线电架构以往只有军事或航太通讯产品采用，与系统尺寸过大、功耗太高、价格高昂这三项因素有密不可分的关系。若软体定义无线电技术要应用在移动数据机等消费性市场上，势必要设法妥善解决这三大难题。

　　为了解决上述三大缺陷，专为软体定义无线电通讯应用所设计和化的DSP中，除了部分DSP功能区块外，还整合了数量不等的向量通讯单元（Vector Communications Unit）。每个向量单元是一个256位元SIMD引擎，采用三路VLIW和大量16位元MAC、演算法、逻辑及位移单元。

　　透过这些向量通讯单元的帮助，这些特殊化的DSP可以满足4G无线数据机的要求，包括矩阵处理、多重输入多重输出（MIMO）检测器、复杂滤波、资料交换和位元流处理。图2为内建向量通讯单元的DSP功能方块图。

图2　专为SDR所设计的DSP核新功能方块图

　　弹性化设计势在必行

　　随着无线通讯产业朝向4G发展，因开发成本和多个变化标准的问题，使传统以硬体线路为基础的设计方案的风险大增。所以，设计一个能够迅速适应不断变化的标准，并可在多代产品上重复使用的灵活解决方案至关重要。

　　以混合式方案或全软体式数据机为基础的可编程设计解决方案，正式因应此一趋势而诞生的产物。可编程方案能让设计团队轻松地套用先前所完成的设计，并确保产品能快速上市。

　　无线基频领导厂商早已认可转向可程式设计解决方案的发展趋势，而投入DSP架构标准化的工作。在DSP标准化后，芯片厂商可以更轻松地根据其系统架构和灵活性水准选择正确的DSP。而且，的节能和制程几何尺寸缩小技术，也使得这些可编程设计方案渐渐成为多种应用中实现4G方案的方法。