嵌入式矢量處理器是實(shí)現(xiàn)軟件無線電的有效途徑

最新的移動電話已經(jīng)可以在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上提供多頻段和多模式操作。它們使用越來越多的通信管道來實(shí)現(xiàn)Wi-Fi連接、數(shù)字電視、數(shù)字音頻廣播和GPS衛(wèi)星接收以及其它技術(shù)。而面向無線USB的超寬帶(UWB)和面向移動互聯(lián)網(wǎng)接入的WiMAX很快也將得以實(shí)現(xiàn)。

移動設(shè)備間的功能融合意味著這些眾多的射頻通信/廣播標(biāo)準(zhǔn)組合也將出現(xiàn)在PDA、筆記本電腦和游戲機(jī)上。對這些消費(fèi)類產(chǎn)品而言，其體積、成本和功耗約束使得每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用一個(gè)專用無線收發(fā)器的方案不再可行。而利用先進(jìn)的可編程數(shù)字信號處理器(如嵌入式矢量處理器，簡稱EVP)來實(shí)現(xiàn)軟件無線電(SDR)是一種理想的解決方案：單個(gè)模塊就可以處理所有這些標(biāo)準(zhǔn)。

藍(lán)牙和Wi-Fi等專用無線收發(fā)器模塊取得市場成功的原因之一是，這些通信模塊大多數(shù)是附加功能，而不是標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，那些允許制造商通過簡單地插入適當(dāng)?shù)哪K(包括必要的射頻和基帶處理部分)配置出支持不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的方案具有明顯的好處。

然而，隨著這些無線通信信道逐漸成為設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，繼續(xù)使用這種專用模塊具有很大的問題。不僅各個(gè)模塊的總體積很難被容納，總的功耗也會大大縮短電池使用時(shí)間，而且硅片面積的增加將對生產(chǎn)成本產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，在多個(gè)通信信道必須同時(shí)激活的情況下，多個(gè)模塊的共存將出現(xiàn)問題，因?yàn)樘炀€之間會產(chǎn)生相互干擾。

多通信信道

減少體積、成本、功耗以及天線干擾意味著需要采用一種特殊的架構(gòu)，在這種架構(gòu)中所有或部分射頻和基帶功能將共享給不同的射頻通信信道。例如在某個(gè)集成解決方案中，工作在相同頻段的多個(gè)信道(如藍(lán)牙和IEEE802.11b/g)可以智能地共享天線、低噪聲放大器和混頻器等射頻硬件。同樣的，使用相似調(diào)制機(jī)制的信道可以共享單個(gè)可編程modem。

這樣就形成了新的多頻段多模式架構(gòu)，在這種架構(gòu)中不同的射頻部分、不同的modem被集成在一起，彼此間最好還要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字接口。為了讓單個(gè)硬件modem向多個(gè)不同的無線通信信道提供服務(wù)，需要采用高度靈活、軟件可編程的modem引擎。

圖1：NXP公司提出的通信管線和內(nèi)部硬件上的模塊映射示意圖。

實(shí)際上，modem引擎是制造商在市場中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的最好切入點(diǎn)之一，因?yàn)檫@些引擎可以用來增強(qiáng)無線性能。任何移動通信標(biāo)準(zhǔn)的空中接口都有嚴(yán)格的定義，除了選擇最好的實(shí)現(xiàn)技術(shù)外(如使用合適的RF CMOS、BiCOMS或GaAs工藝技術(shù))，制造商難有增強(qiáng)射頻前端性能的空間。處于modem管線另一端的編解碼器的實(shí)現(xiàn)所要求的算法類型也有完善的定義。而位于射頻前端和編解碼器之間的modem就顯得非常重要了，在這里可以利用專有IP先對調(diào)整調(diào)制/解調(diào)后的信號進(jìn)行處理，然后再送到編解碼器，從而獲得更低的誤碼率(BER)，或在BER一定的條件下降低發(fā)送/接收功率。

由于上述信號處理和調(diào)整必須適應(yīng)局部條件，如多徑衰落和干擾，因此通過在高端軟件可編程DSP上運(yùn)行的DSP算法來完成這一任務(wù)是非常理想的。這種可編程方法可以適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場測試結(jié)果，而且能夠增加新的更智能的算法(如為了改善信噪比)，這在硬件解決方案中是很難在后續(xù)流程中不經(jīng)過硅片重新設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)的。

鑒于這些算法的復(fù)雜性，modem管線應(yīng)用中使用的處理器必須具有超強(qiáng)的性能，一般要超過每秒1萬兆次操作(Gops)。然而，采用這些設(shè)計(jì)的設(shè)備一般是電池供電的移動設(shè)備，也就意味著這些處理器必須消耗很少的功率(一般不超過數(shù)百毫瓦)。采用先進(jìn)的低功率/低漏電流CMOS制造技術(shù)將使處理器的最高時(shí)鐘速率限制在300MHz。為了在這種時(shí)鐘速率下達(dá)到要求的Gops性能，處理器必須采用很高層次的并行機(jī)制(比如通過執(zhí)行矢量寬度處理)。

可以經(jīng)過矢量化在矢量處理器上運(yùn)行的算法包括了信號調(diào)整功能，如均衡、干擾抵消和多徑相關(guān)(Rake接收機(jī))，以及信號處理功能，如同步、正交幅度調(diào)制(QAM)映射/去映射以及OFDM解調(diào)用的FFT。

軟件可編程性能當(dāng)然還有其它的優(yōu)勢。它能讓OEM利用單個(gè)免費(fèi)的硅片平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，它有助于未來升級成更新更先進(jìn)的算法。在升級modem性能或者在設(shè)計(jì)過程中增加性能時(shí)，基于DSP的modem也表現(xiàn)得更加靈活?？删幊碳軜?gòu)的替代方案都有哪些呢?目前有兩種其它的方法可以使用：硬連線的專用構(gòu)建模塊和可重復(fù)編程/可重復(fù)配置的硬件(如FPGA)。

硬連線的構(gòu)建模塊目前主要用于只實(shí)現(xiàn)相對較少(固定)數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)。雖然對有限的這些應(yīng)用中它們極具性價(jià)比，但隨著標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的增加，它們所需的面積會急劇增加。事實(shí)上，最近NXP公司對目前可用解決方案所進(jìn)行的分析表明，使用專用模塊方法在單個(gè)設(shè)備中處理Edge、R‘99、HSDPA和HSUPA標(biāo)準(zhǔn)的解決方案所需的面積要比可編程解決方案(如NXP的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同標(biāo)準(zhǔn)有很大的區(qū)別，而用硬件解決方案實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)間的高效資源共享要想優(yōu)化到這個(gè)水平所需的開發(fā)時(shí)間太長。可編程解決方案還允許增加新的更智能的算法而不要求新的出帶，同時(shí)可以適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場測試結(jié)果。

其它常見的解決方案是使用可編程/可重配置硬件，如FPGA(這是3G基站的典型方案)。雖然這里的資源再利用水平甚至比可編程解決方案高，但目前的FPGA在硅片面積方面仍然較昂貴，因?yàn)榕c固定實(shí)現(xiàn)(專用硬件或可編程架構(gòu))相比，它的有效門面積小很多。另外，較大的面積會直接影響手機(jī)的待機(jī)時(shí)間，這意味著漏電流可能是個(gè)問題。

因此從面積/成本的角度看，可編程架構(gòu)是最佳的解決方案?？删幊碳軜?gòu)的功耗要比硬連線解決方案稍高些，但從更大的系統(tǒng)角度看，這個(gè)折衷是可以接受的，因?yàn)樵黾拥墓目梢栽谄渌胤降玫窖a(bǔ)償。例如在系統(tǒng)研究中，NXP發(fā)現(xiàn)待機(jī)功率有所降低，因?yàn)榭删幊谭椒梢詫?shí)現(xiàn)更智能的算法以縮短待機(jī)時(shí)的激活時(shí)間。

圖2：根據(jù)單個(gè)任務(wù)運(yùn)算量，軟件定義無線電可實(shí)現(xiàn)微控制器、DSP等多功能混合。

軟件無線電

在實(shí)現(xiàn)SDR時(shí)，“矢量處理器”被推薦為經(jīng)典SIMD處理類型的擴(kuò)展。增加“矢量內(nèi)部處理”可以實(shí)現(xiàn)矢量內(nèi)部單元間的交互。這樣在通信信號處理中常見的FFT蝶形運(yùn)算、導(dǎo)頻信道刪除和其它運(yùn)算需要時(shí)，可以對矢量內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意重排序。[!--empirenews.page--]

與純SIMD相比，這種方法可以顯著提高運(yùn)算效率。在這種情況下如果用純SIMD方法，低效運(yùn)行的順序處理方式通常是唯一可用的解決方案。由于可編程EVP可以為許多不同的通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)高度自適應(yīng)的modem功能，并能協(xié)商實(shí)現(xiàn)從一種標(biāo)準(zhǔn)到另外一種標(biāo)準(zhǔn)的平滑過渡，因此可編程EVP是軟件無線電的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)單元。

除了滿足非常高的Gops條件外，這種處理器還能滿足電池供電、便攜式產(chǎn)品的硅片面積和成本要求。其非常高等級的可編程性不僅能夠適應(yīng)移動設(shè)備中無線通信系統(tǒng)的多樣性，還允許制造商緊跟這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和使用情景以及新算法的開發(fā)?？删幊蘀VP還可以幫助制造商“空中”修復(fù)或升級他們的產(chǎn)品，并通過部署更廣的覆蓋率或更高的數(shù)據(jù)下載速率來減少現(xiàn)場返修率或增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

然而，矢量處理器的軟件可編程特性只能在縮短上市時(shí)間、增加產(chǎn)品差異性或降低成本方面提供真正價(jià)值的時(shí)間和場合發(fā)揮作用。事實(shí)上仍有相當(dāng)多的基帶處理場合不適合軟件可編程，而硬連線、更專用的子模塊更合適。

例如，包含Viterbi和Turbo編碼/解碼功能的編解碼器在軟件可編程編解碼引擎上可能要占用巨大的處理資源，特別是數(shù)據(jù)比特率很高時(shí)(一般超過100Mbps)。然而，這些功能并不真正需要軟件可編程性，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)之間的差異很小。因此采用可重配置編解碼器解決方案實(shí)現(xiàn)這些功能的硬件加速比用軟件可編程方案更有意義。對信道濾波來說同樣是這樣。

軟件無線電因此不可能完全是軟件可編程的解決方案。事實(shí)上，在SDR的射頻前端將是可編程性和軟件控制下的可重配置性的混合，其中嵌入式微控制器、數(shù)字信號處理器、矢量處理器和硬件加速器都各有用武之地。

隨著模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換向中頻級電路的轉(zhuǎn)移，SDR也可能影響到未來多模式、多信道射頻收發(fā)機(jī)的劃分。信道濾波、modem和編解碼功能可能要么移到主機(jī)的基帶芯片中，要么被集中到單獨(dú)的連接modem引擎。這樣做不僅可以減少芯片數(shù)量，而且允許modem和基帶功能從一種CMOS工藝技術(shù)快速轉(zhuǎn)換到另一種，從而快速實(shí)現(xiàn)成本降低。同時(shí)，射頻前端和功放仍能繼續(xù)利用可以提供合適性能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對2G、2.5G和3G手機(jī)收發(fā)器而言，在今后一段時(shí)間內(nèi)仍可能繼續(xù)使用BiCMOS或III-V工藝，雖然一些低端應(yīng)用領(lǐng)域已在向RFCMOS轉(zhuǎn)移。