DSP技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用

目前移動終端結(jié)構(gòu)中有兩種主要趨向。一種是面對不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)使用可編程DSP的靈活性；另一種是強(qiáng)調(diào)用專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)的高效性。將來這兩個方面必將結(jié)合起來。

　　DSP在GSM中的應(yīng)用

　　GSM的功能框圖如圖1所示。圖中一個典型的數(shù)字通信模塊包括：信號壓縮、差錯檢測、加密、調(diào)制和均衡。

　　在GSM階段1里編碼器用短形脈沖激勵線性預(yù)溫編碼技術(shù)將語音壓縮到13Kb/s，大多數(shù)硬件工程師都認(rèn)為話音編碼器應(yīng)該由DSP來實現(xiàn)。現(xiàn)在DSP在如圖1所示的功能圖中，開始承擔(dān)物理層的其它功能了。

　　在演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)中靈活性是非常重要的。GSM階段2中引進(jìn)了增強(qiáng)全速率（EFR）和半速率（HR）話音編碼。半速率在達(dá)到相同的語音質(zhì)量的情況下，壓縮速率更高，達(dá)到5.6Kb/s，但代價是復(fù)雜性增加。增強(qiáng)全速率能夠提供更好的話音質(zhì)量和性能，其代價是復(fù)雜度更高，它是應(yīng)用一種叫做矢量和激勵線性預(yù)測（VSELP）的算法來實現(xiàn)的。

　　隨著這些變化，物理層的性能越來越好，費用越來越低，功率更節(jié)省。因此，每一代移動終端的物理層都同前一代有一些微小的差別，而基于ASIC的解決方案的升級就比較困難而且代價也比較大。因為現(xiàn)在有專門為無線應(yīng)用設(shè)計的低功耗DSP，用ASIC實現(xiàn)DSP完成的功能而節(jié)省的功率不足以讓系統(tǒng)設(shè)計師放棄用DSP設(shè)計的靈活性。

　　隨著GSM移動終端的演進(jìn)，它已經(jīng)逐漸發(fā)展到不僅僅實現(xiàn)簡單的電話功能，這就使得不僅僅在物理層而且在其它層也可以用到DSP。尤其是隨著第三代移動通信的到來，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，這一趨勢將會加速。

　　DSP向低功耗發(fā)展的趨勢

　　新一代DSP增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和處理能力提供了更好的性能并且功耗更低，適合電池供電的應(yīng)用。我們知道許多通信算法是乘和累加（MuAcc）運(yùn)算。所以我們用每百萬個MuAcc消耗的mW來評估DSP的功率消耗。據(jù)統(tǒng)計，目前DSP的功耗每18個月就降低一半。由于DSP用的靜態(tài)邏輯，主要的功率消耗就是對器件內(nèi)部電容的充放電上，這個動態(tài)的功率消耗如下式所示：

　　p=ac×V擺幅×V電源×f

　　上式中P代表消耗的功率，a代表每個時鐘周期內(nèi)內(nèi)部節(jié)點的周期數(shù)，v擺幅和v電源相等，f代表頻率。整個芯片的動態(tài)功率消耗是電路里所有節(jié)點的P的和。從上式看到，由于每個節(jié)點的動態(tài)功率消耗同供電電壓的平方成正比，那么降低供電電壓對節(jié)省功率是很重要的。但是，僅僅降低供電電壓而不改進(jìn)技術(shù)，是不完善的。因此在降低供電電壓的同時還要改進(jìn)技術(shù)才能使性能提高和功耗下降。

　　下面我們以TI的TMS320C54x為例，介紹它的低功耗設(shè)計。TMS320C54x是專門為無線通信應(yīng)用而設(shè)計的DSP芯片。另外，隨著無線市場的不斷增長，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了另外幾種專門為無線應(yīng)用設(shè)計的DSP芯片。

　　C54x的結(jié)構(gòu)和指令集都設(shè)計了具有節(jié)省功率的特性。C54x應(yīng)用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有三個數(shù)據(jù)存儲總線、一個程序存儲總線、兩個數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器和一個程序地址產(chǎn)生器。這種結(jié)構(gòu)使得可以同時存取數(shù)，適合多操作數(shù)運(yùn)算，從而完成同樣的功能所需的周期變少。

　　C54x為節(jié)省功率的另外一個策略就是增加特殊指令，這些指令能夠執(zhí)行在無線應(yīng)用中的重要算法。還有一個比較選擇存儲單元（CSSU）大大加速了Viterbi譯碼的速度。

　　C54x指令集還包含幾條專用指令，包括：單條指令重復(fù)和指令塊重復(fù)、條件指令、歐幾里德距離計算、FIR（有限脈沖響應(yīng)）和LMS（最小均方）濾波器運(yùn)算指令等。所有一切，便利目前用DSP完成IS-54/136標(biāo)準(zhǔn)里的VSELP時消耗7.4mW功率，在GSM語音編碼時消耗1.3mW功率。

　　在低功率DSP中功率管理是非常重要的，C54x應(yīng)用了一種混合功率管理策略，即婁活的內(nèi)部時鐘控制和三種用戶控制空閑模式：關(guān)閉CPU，關(guān)閉CPU和片內(nèi)外設(shè)、只保持存儲器狀態(tài)的整個器件的關(guān)閉?；跀?shù)字鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器和北法器結(jié)合允許用戶能夠優(yōu)化應(yīng)用的頻率和功耗。

　　未來移動能信器件的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)

　　蜂窩通信自從1983年商用以來有幾個發(fā)展趨勢，最重要就是從模擬到數(shù)字的發(fā)展，這使得系統(tǒng)的容量增大，用戶數(shù)增多,這驅(qū)動了對功能強(qiáng)大的DSP的需求。

　　傳統(tǒng)的蜂窩電話用雙處理器結(jié)構(gòu)實際上是一個簡單的調(diào)制解調(diào)器。將來以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的終端將會有新的結(jié)構(gòu)，它必須增加處理資源去支持復(fù)雜度不斷增加的用戶界面，處理除了話音之外的更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。其中，一個解決方案就是一個DSP核心加上協(xié)處理器結(jié)構(gòu)，另外一種結(jié)構(gòu)是多個DSP加上額外的硬件來加速復(fù)雜的處理。

　　總之，低功耗DSP將在未來的移動通信中得到更加廣泛的應(yīng)用。