DSP技術在移動通信中的應用

目前移動終端結構中有兩種主要趨向。一種是面對不斷變化的標準，強調(diào)使用可編程DSP的靈活性；另一種是強調(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合起來。

　　DSP在GSM中的應用

　　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溫編碼技術將語音壓縮到13Kb/s，大多數(shù)硬件工程師都認為話音編碼器應該由DSP來實現(xiàn)。現(xiàn)在DSP在如圖1所示的功能圖中，開始承擔物理層的其它功能了。

　　在演進的標準中靈活性是非常重要的。GSM階段2中引進了增強全速率（EFR）和半速率（HR）話音編碼。半速率在達到相同的語音質量的情況下，壓縮速率更高，達到5.6Kb/s，但代價是復雜性增加。增強全速率能夠提供更好的話音質量和性能，其代價是復雜度更高，它是應用一種叫做矢量和激勵線性預測（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)在有專門為無線應用設計的低功耗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)設計師放棄用DSP設計的靈活性。

　　隨著GSM移動終端的演進，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)務的應用，這一趨勢將會加速。

　　DSP向低功耗發(fā)展的趨勢

　　新一代DSP增強的結構、設計和處理能力提供了更好的性能并且功耗更低，適合電池供電的應用。我們知道許多通信算法是乘和累加（MuAcc）運算。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技術，是不完善的。因此在降低供電電壓的同時還要改進技術才能使性能提高和功耗下降。

　　下面我們以TI的TMS320C54x為例，介紹它的低功耗設計。TMS320C54x是專門為無線通信應用而設計的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用設計的DSP芯片。

　　C54x的結構和指令集都設計了具有節(jié)省功率的特性。C54x應用改進的哈佛結構，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。這種結構使得可以同時存取數(shù)，適合多操作數(shù)運算，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：單條指令重復和指令塊重復、條件指令、歐幾里德距離計算、FIR（有限脈沖響應）和LMS（最小均方）濾波器運算指令等。所有一切，便利目前用DSP完成IS-54/136標準里的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：關閉CPU，關閉CPU和片內(nèi)外設、只保持存儲器狀態(tài)的整個器件的關閉?；跀?shù)字鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器和北法器結合允許用戶能夠優(yōu)化應用的頻率和功耗。

　　未來移動能信器件的應用和結構

　　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,這驅動了對功能強大的DSP的需求。

　　傳統(tǒng)的蜂窩電話用雙處理器結構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)務為主的終端將會有新的結構，它必須增加處理資源去支持復雜度不斷增加的用戶界面，處理除了話音之外的更加復雜的數(shù)據(jù)業(yè)務和更加復雜的應用環(huán)境。其中，一個解決方案就是一個DSP核心加上協(xié)處理器結構，另外一種結構是多個DSP加上額外的硬件來加速復雜的處理。

　　總之，低功耗DSP將在未來的移動通信中得到更加廣泛的應用。