关注软件设计的TD-SCDMA手机芯片组

     由于现有蜂窝网络开始受到容量限制，而且蜂窝技术的应用超出语音和简单短信，对于提高数据速率的需求已经迫在眉睫。多种3G空中接口已经标准化，包括频分双工(FDD)和时分双工(TDD)技术。例如，FDD系统包括宽带CDMA(W-CDMA)和CDMA2000，而时分同步码分多址接入(TD-SCDMA)是一种典型的TDD系统。这些系统的配置按地理位置划分，WCDMA用于日本、欧洲和北美；CDMA2000用于韩国、日本和北美；TD-SCDMA(主要在中国开发)预期至少被一家运营商用于中国，它适合用于不成对的频谱分配，这存在于许多国家。如果撇开商业考虑，当采用一项技术时每个系统都有其自身独特的优点和缺点。 
    开发3G芯片组的挑战在于满足消费者对于改善性能和功能要求的同时又保持相同或更低的价格。在便携式设备方面，例如，蜂窝手机，另一个要求是低功耗，延长电池寿命。遗憾的是，WCDMA和CDMA2000采用提高的数据速率要求大幅度提高处理速度(这意味着在一种硬件实现方案中要么大幅度提高功率，要么增加芯片面积)，并且双工滤波器允许发射器同时作为接收器工作并且共用同一天线。因此，与基于GSM/GPRS/EDGE技术的2/2.5G手机相比，3G芯片组(以及基于它们的手机)价格很贵并且提供较短的电池寿命。 
    由于TD-SCDMA是一种TDD系统，它有些像天线在接收和发射功能之间切换的GSM/GPRS/EDGE，但通道频率是1.6MHz而不是200kHz。除了带宽较高之外，射频(RF)部分实际上要简单一些，因为手机接收和发送在同一频带(不像GSM/EDGE，它们的接收和发射频带不同，要求单独的滤波器)。由于发射和接收功能不同时进行，所以处理速度较低，因为每仅处理一个方向的信号。按照第三代合作伙伴计划(3GPP)术语，TD-SCDMA被认为是一种低码片速率(LCR)方案。 
    增加的技术(例如，智能天线和动态通道分配)已经在系统级得到应用，这使得系统更为有效，因为智能天线将基站功率和接收模式定向到移动用户所在的区域，并且该系统根据所使用的数据量分配属于每个用户的时隙数和代码。 
当TD-SCDMA系统作为一种符合3GPP规定的标准被采纳时，有几家不同的公司开始开发芯片组。他们大多采用基于硬件的设计，在专用硬件单元中完成信号处理功能，这样势必增加开发时间和芯片面积，同时减少灵活性。这已经证明是一种不好的折衷，因为系统仍在发展，每次改变都要求重复新的芯片设计。 

     图1：ADI公司SoftFone-LCR TD-SCDMA芯片组框图。
ADI公司SoftFone-LCR芯片组遵循一种不同的设计理念。自1999年，ADI公司已经将SoftFone体系结构用于其蜂窝手机芯片组。与一些依赖于只读存储器(ROM)编码实现各种软件功能其它公司的相近产品相比，它是一种基于随机存取存储器(RAM)的体系结构。SoftFone体系结构已经用于移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)和演进增强数据速率(EDGE)芯片组，具有为完成数字信号处理(DSP)和控制功能所采用的各种处理器。SoftFone体系结构的优点在于当新处理器可以提供时容易集成，而且可以用软件方法容易增加功能而不是用定制ROM编码的新芯片。最初的SoftFone处理器采用了ADI公司ADSP-218x DSP处理器和ARM7微控制器(MCU)。ADSP-218x处理器体系结构提供的处理速度达到约100MHz足以满足GPRS工作，并且基于ADSP-218x DSP的新一代芯片组仍在开发并且适合用于GSM/GPRS手机。比较新的标准(例如，EDGE)要求提高DSP性能，几年前就很容易将SoftFone体系结构扩展到包括Blackfin处理器的体系中。实际上，ADI公司的AD6532 EDGE数字基带处理器是AD6901 SoftFone-LCR数字基带处理器的技术基础。 
     为了充分利用Blackfin处理器提供的处理速度和低功耗优势，ADI公司能够开发一种在TD-SCDMA使用的软件实现联合检测和信号解码功能。通过与大唐移动公司的紧密合作，通过软件更新轻松实现对系统的任何升级，无需硬件修改。这使手机制造商能够迅速更新其设计以顺应的标准升级，而其它供应商还在等待着新版本芯片的制造。除了保持软件更新之外，大唐移动公司还为手机设计工程师提供一整套开发工具包括DTIvy系列参考设计以保证加快开发时间。 
通常，用基于软件的方法完成信号处理任务(例如，在TD-SCDMA中所采用的方法)比缺乏灵活性的基于硬件的设计损失的功耗要大。但是，TD-SCDMA算法对于Blackfin处理器的处理能力匹配得非常好，Blackfin处理器具有与2.5G EDGE标准所需要的处理能力相同的复杂性，并且集成的芯片组中提供的260MHz速度的处理器不会耗费过大的功率。 
AD6901数字基带处理器包括提供DSP功能的Blackfin处理器和一个用于控制功能的ARM7TDMI控制处理器。它还包括片内零等待状态大容量SRAM，总线仲裁逻辑，以及一整套用于各种类型外部存储器的外围设备接口、USB口、相机模块、SD/MMC存储卡、键盘、显示屏等。 
     因此，SoftFone-LCR TD-SCDMA芯片组在功耗和成本方面比得上现代2.5G EDGE芯片组，能够满足消费者对于手机通常具有400~600小时待机时间和大于3小时通话时间的要求。此外，该处理器可支持TD-SCDMA和GPRS双模工作，包括在网络之间切换。 
    ADI公司SoftFone-LCR芯片组还包括手机开发必需的模拟和射频芯片。AD6854模拟集成电路(IC)包括带射频接口的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)、语音频带编码解码器、立体声音频播放和完整的电源管理子系统。这种CMOS IC包括11个独立的电压稳压器，其中每一个稳压器都适合用于特殊的子系统以提供低噪声、大电流或可编程输出电压。其中音频部分包括用于耳机和扬声器的片内放大器驱动8Ω和32Ω设备，无须外部电源升压器。 
模拟IC中的射频接口电路支持双模工作，并且很容易连接到ADI公司的“Othello”TD-SCDMA和GPRS收发器，包括Othello-W发射器(AD6541)和接收器(AD6547)，以及未来的单芯片收发器。现场试验表明，Othello-W射频收发器在灵敏度、掉线和其它与射频有关的因素方面都能提供性能。例如，具有0.1% bit误差率的灵敏度典型值为-112dBm与-108dBm性能指标相比为制造变动提供了充足的裕量。 
     通过简便地添加AD6548 Othello-G GPRS收发器，可实现双模工作。所有Othello射频IC都包括片内电压控制振荡器(VCO)谐振电路，锁相环(PLL)环路滤波器和允许直接与电池连接的电压稳压器，从而减少了元件数量并且节省了功耗。双模工作是很重要的，由于TD-SCDMA的初始配置不会提供消费者从无线网络所期望的完整覆盖，所以要求鲁棒性地返回到GSM/GPRS网络。 
    展望未来，TD-SCDMA芯片组下一步的发展是提供384kbps工作，使用三个时隙，每个时隙128kbps。随着2006年发布的新一代SoftFone芯片组，称作“SoftFone-LCR+”，这实际上已经实现。这种芯片组提供与最初芯片组相同的基本功能，但使用ARM9内核控制处理器提供能够提高数据速率增加的多媒体服务。这两种芯片组允许制造商轻松开发多种手机，从提供语音和短信功能的基本手机到带多媒体功能的高端手机。实际上，许多制造商(包括中国国内公司和公司)已经开发出基于SoftFone-LCR芯片组的手机，并且这些手机现在正在中国几个城市里用于商业试验。另一个期望是提高射频收发器的集成度。在2007年期待TD-SCDMA单芯片射频收发器是理所当然的。 
    TD-SCDMA标准的发展路线是基于高速下行分组接入(HSDPA)技术提高数据速率，它类似于WCDMA和CDMA2000标准所提供的速率。现在可提供使用较低集成度的芯片(包括高速Blackfin处理器)的数据卡。它支持应该于2008年提供的标准规定的高集成度芯片组。 
    总之，很显然，尽管用于WCDMA和CDMA2000的芯片组在开发上先行一步，TD-SCDMA解决方案(例如，ADI公司的SoftFone-LCR芯片组和大唐移动公司的软件)现在可以提供，并且满足标准兼容和客户对于功能改善、成本和电池寿命的需求。由于TD-SCDMA网络在中国(也可能在其它国家)开始商业运营，手机制造商有各种可用的芯片组以满足从基本手机到高端多媒体手机的多种手机的需求，采用TD-SCDMA网络的运营商将为其客户提供多种手机。