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(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的WiMAX很快也將得以實(shí)現(xiàn)。

移動(dòng)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(duì)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(hào)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(huì)大大縮短電池使用時(shí)間，而且硅片面積的增加將對(duì)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(huì)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(dòng)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(duì)調(diào)整調(diào)制/解調(diào)后的信號(hào)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(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)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(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，它有助于未來升級(jí)成更新更先進(jìn)的算法。在升級(jí)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。可編程架構(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(duì)較少(固定)數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)。雖然對(duì)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(huì)急劇增加。事實(shí)上，最近NXP公司對(duì)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?？删幊探鉀Q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(huì)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。可編程架構(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(hào)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(duì)矢量內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意重排序。