評估用于系統(tǒng)級芯片集成的各種處理技術(shù)方案

SoC設(shè)計范例：衛(wèi)星無線電

一個數(shù)字廣播衛(wèi)星無線電接收器就是一個系統(tǒng)如何劃分并如何用一個現(xiàn)有SOC上不同處理單元來實現(xiàn)的很好例子。在美國，衛(wèi)星無線電以S波段頻率2.3GHz來廣播，采用一個地面同步衛(wèi)星提供海岸到海岸覆蓋。還有一些地面中繼器，它們可以在主衛(wèi)星被阻斷時從另一個衛(wèi)星接收信號并傳播出去。所用的調(diào)制系統(tǒng)或者是QPSK(正交相移鍵控)，或者是針對衛(wèi)星的TDM(時分多址)，這取決于廣播公司，而對地面站來說總是采用OFDM(正交頻分多址)。

衛(wèi)星無線電的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠向客戶提供數(shù)百條無靜電干擾的音頻和消息信道。由于傳輸帶寬窄，衛(wèi)星無線電依靠新的感覺音頻編碼器(PAC)算法進(jìn)行音頻壓縮和解壓縮。PAC的某些特性，如對信道損傷有一定適應(yīng)能力，使得它很適合廣播無線電應(yīng)用。該音頻編碼利用人耳的一些特性，隱藏部分信號失真，而且一旦該信號數(shù)字化，剩下的冗余通過無噪音編碼被除去。因其高壓縮率和優(yōu)異質(zhì)量，PAC音頻編碼已經(jīng)成為一種事實上的衛(wèi)星和數(shù)字無線電廣播標(biāo)準(zhǔn)。圖1顯示了一種衛(wèi)星無線電接收器架構(gòu)。

在信號輸入端，衛(wèi)星調(diào)諧器把2.3GHz載波轉(zhuǎn)換成基帶信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器再將其數(shù)字化以便處理。隨后進(jìn)行QPSK解調(diào)，信號完成Viterbi解碼。一個編/解碼器與該系統(tǒng)的模擬音頻輸入和輸出接口。一個FPGA提供接口邏輯以產(chǎn)生硬驅(qū)動和緊湊型閃存所需的合適信號。一個專用器件輸出NTSC視頻，這是流視頻應(yīng)用的一個高級特性。

在SoC中劃分功能

在這個例子中，系統(tǒng)的核心是一個雙處理器OMAP器件通過高性能和低功耗之間的平衡，這種150MHz的OMAP器件把一個DSP內(nèi)核同一個加強(qiáng)型ARM925T RISC處理器集成在一起。其它的特性包括一個SDRAM存儲器接口和許多外設(shè)接口，它們同外部無線電基帶處理器和外部音頻編/解碼器兼容。

因為OMAP器件設(shè)計用于同時處理多個多媒體任務(wù)，所以它很適合衛(wèi)星無線電應(yīng)用。一般來說，多媒體功能豐富的器件由許多音頻和視頻壓縮/解壓算法組成，它們需要廣泛的數(shù)??算。對這些運(yùn)算來說，OMAP上的DSP比RISC更適合。比較這兩種處理器的標(biāo)準(zhǔn)測試程序有很多種，從一個算法到另一個算法變化很大，但平均而言，RISC完成相同信號處理運(yùn)算的周期數(shù)是DSP的三倍。由于RISC管理系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)任務(wù)一般比DSP更有效率，因此這兩種處理器的功能可以互補(bǔ)。

該DSP完成的主要信號處理任務(wù)之一是：在衛(wèi)星信號阻斷因而系統(tǒng)切換到地面廣播時，對輸入進(jìn)行OFDM解調(diào)。OFDM解調(diào)器需要運(yùn)行FFT和反FFT算法，這對運(yùn)算密集型的DSP來說很合適。該DSP還解壓傳輸來的PAC編碼信號，而ARM內(nèi)核則對PAC數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。該DSP的其它功能包括為采用MP3或MPEG-1和layer 3的存儲設(shè)備編碼數(shù)據(jù)，為采用MP3的播放功能解碼數(shù)據(jù)。

該ARM內(nèi)核管理來自調(diào)諧器和/或數(shù)據(jù)存儲器件的流數(shù)據(jù)。它還完成語音合成、語音識別和控制/命令任務(wù)，并顯示表明氣象信息和駕駛方向的位圖。通過恰當(dāng)?shù)仄胶飧鞣N處理負(fù)載，一個基于雙內(nèi)核OMAP處理器的衛(wèi)星無線電設(shè)計只占用該處理器可用處理資源的一小部分，因而為實現(xiàn)增強(qiáng)的多媒體功能留有余地2004-6-28，如虛擬3D音效、噪音消除等。表2顯示了這種系統(tǒng)劃分，它表明了每個功能所用的處理單元類型。

衛(wèi)星無線電接收器這個例子說明了在一個現(xiàn)有SoC器件上不同處理器單元之間劃分任務(wù)的好處。專門為這個應(yīng)用研制SoC的設(shè)計人員也可以采用前面討論的步驟來明確劃分其它的處理功能，如Viterbi處理和音頻編解碼器，它們可以經(jīng)濟(jì)地集成在該SoC之內(nèi)。NTSC視頻解碼和其它高級特性無疑也可以考慮，因為該設(shè)計的壽命期有可能貫穿許多接收器產(chǎn)品。除了系統(tǒng)級集成帶來器件減少的明顯優(yōu)點(diǎn)之外，采用單一的SoC平臺還為開發(fā)人員在軟件方面的投資帶來了極大益處，因為在整個產(chǎn)品線的壽命期內(nèi)只需要很少的再開發(fā)工作。

本文小結(jié)

帶有多個處理單元的SoC器件目前是產(chǎn)品設(shè)計鏈上的重要一環(huán)，尤其是對需要高度集成的便攜式系統(tǒng)，它們靠該器件提供混合數(shù)據(jù)和信號處理功能。將一個特定系統(tǒng)和一個特定SoC匹配的決策并不總是由技術(shù)因素來推動。在許多情況下，它更多地與可用的資源有關(guān)，與系統(tǒng)需要的靈活度有關(guān)，與如何對付新功能和新缺陷有關(guān)。開發(fā)人員應(yīng)該理解所涉及處理任務(wù)之間的復(fù)雜平衡，有效掌握劃分系統(tǒng)功能的程序，并能夠充分利用SoC所提供的巨大能力優(yōu)勢。