工作模式下TD-SCDMA多媒體終端省電的研究

1、前言

移動終端的通話時間和待機時間一直是業(yè)界關(guān)注的焦點問題之一。3G終端除支持類似2G終端的基本的語音、短信業(yè)務(wù)以外，還支持高速數(shù)據(jù)下載和視頻電話等豐富的多媒體應(yīng)用，為此增添了復(fù)雜的物理層數(shù)字信號處理和高層協(xié)議棧軟件處理，大大增加了終端省電處理難度，也對3G終端的省電性能提出了更高的要求。

目前，業(yè)界對于TD-SCDMA終端省電的研究集中在待機模式下，即通過周期性的睡眠-喚醒來達到在待機模式下省電的目的，而對于在正常工作模式下的省電研究甚少。正是基于這種情況，本文結(jié)合TD-SCDMA系統(tǒng)及終端的技術(shù)特性，深入研究并實現(xiàn)了TD-SCDMA多媒體終端在工作模式下的省電關(guān)鍵技術(shù)，這對于推動TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大的技術(shù)意義和現(xiàn)實意義。

2、TD-SCDMA多媒體終端的總體結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA的重要特點之一是可以提供高達384 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，遠高于GSM的數(shù)據(jù)傳輸速率，這種數(shù)據(jù)速率不僅可以支持普通語音，還可支持多媒體業(yè)務(wù)，這也被喻為3G的“殺手級”應(yīng)用?？芍С?00萬像素攝像頭及視頻電話的TD-SCDMA多媒體終端的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中clk26M與clk32k是系統(tǒng)所用的兩個外部時鐘。

圖1　TD-SCDMA多媒體終端的總體結(jié)構(gòu)

該終端基于Philips的Dragonfly移動終端設(shè)計平臺，其中基帶采用ARM9作為處理器，主要負責(zé)協(xié)議棧和各種應(yīng)用程序的處理及整個終端的管理；Modem IC負責(zé)TD-SCDMA物理層的相關(guān)處理；ABB是模擬基帶和數(shù)字基帶的接口，完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能；RF發(fā)射方案采用MAXIM的 MAX2507（該芯片已集成了PA），接收方案采用MAXIM的MAX2392；多媒體協(xié)處理器作為視頻、圖像處理的專用硬件加速器，是視頻終端區(qū)別于普通終端的主要硬件設(shè)備；LCD為65 kHz真彩高像素雙屏以支持優(yōu)秀的視頻效果；攝像頭分辨率高達300萬像素。整個系統(tǒng)所用的外部時鐘為VCXO產(chǎn)生的26 MHz系統(tǒng)參考時鐘（clk26M）和由電源管理單元（PMU）產(chǎn)生的32 kHz低速時鐘（clk32k）。

TD-SCDMA終端的功耗受到無線環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)配置[1]、協(xié)議?？刂埔约敖K端軟硬件方案、電源管理、芯片本身的低功耗設(shè)計及其工藝特性等諸多因素的影響[2]，其中起決定性作用的是終端本身的省電技術(shù)。

3、TD-SCDMA多媒體終端的電源管理方案

基于不同系統(tǒng)具體耗電特性的合理電源分配、電源轉(zhuǎn)換芯片效率的提高以及對各個電源簡單而有效的控制是省電技術(shù)中具有立桿見影效果的重要手段。

3G終端中常用的LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的優(yōu)點，缺點是低效率。而DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供高達95%的效率，但占用PCB（電路板）面積大，輸出電壓的紋波也較大，且電磁干擾（EMI）問題比較突出。采用集成了移動終端所需要的幾乎所有電源的參數(shù)測量單元（PMU）是移動終端設(shè)計的必然要求。

結(jié)合TD-SCDMA終端中各芯片的具體特性，以在不同狀態(tài)下對各路電源的方便控制為原則，相應(yīng)的電源管理方案設(shè)計如下：采用PMU中集成的500 mA的DC/DC輸出1.8 V電壓給Modem IC和基帶處理器的內(nèi)核供電以充分利用DC/DC的高效率，對存儲器采用PMU中的一路LDO輸出1.8 V電壓對其單獨供電；對射頻收發(fā)信機分別用PMU中的兩路具有極低噪聲和極高電源紋波抑制比（PSRR）的LDO輸出2.8 V電壓對其單獨供電；對LCD及鍵盤背光采用PMU中的升壓型DC/DC輸出5V電壓至發(fā)光二極管陽極，PMU的一路有高電流驅(qū)動能力的LDO輸出2.6 V電壓給音頻處理部分供電，再利用PMU中的另外兩路LDO輸出1.8 V和3.0 V電壓分別給各芯片的高、低電平端口供電，對于多媒體協(xié)處理所需要的1.5 V和2.8 V兩個特殊電壓，采用一個雙路DC/DC分別給其供電。所有電壓的使能引腳都接到基帶處理芯片（ARM）的睡眠指示信號上以簡化控制機制，各電源何時需要打開/關(guān)閉取決于各自的寄存器配置情況和該指示信號，因而可以根據(jù)實際使用情況通過編程來方便地動態(tài)控制不同時刻各路電源的開關(guān)。

4、TD-SCDMA多媒體終端的省電設(shè)計

4.1　TD-SCDMA終端射頻收發(fā)信機的動態(tài)功耗管理

射頻收發(fā)信機是TD-SCDMA終端中第一大耗電單元。對射頻收發(fā)信機進行有效的動態(tài)管理不僅可以提高雜散度、靈敏度、鄰道泄漏等射頻指標，而且從節(jié)省終端功耗的角度出發(fā)可以充分利用TD-SCDMA系統(tǒng)獨特的TDD模式達到省電的目的。

WCDMA工作在FDD模式下，在該系統(tǒng)中，時間-頻率平面被分割成M個離散的頻率段，在頻率軸上相鄰分布，用戶始終占用頻率通道中某一頻段并以100%的占空比傳遞信號能量。TD-SCDMA工作在TDD模式下，在該系統(tǒng)中，用戶僅用部分時隙以較小的占空比傳遞信號能量。由于CDMA系統(tǒng)是一個自干擾受限系統(tǒng)，其系統(tǒng)容量主要取決于來自同系統(tǒng)內(nèi)其他用戶的多址干擾，因而以突發(fā)方式發(fā)射信號的TDD系統(tǒng)的平均發(fā)射功率必然明顯小于FDD系統(tǒng)。在理想情況下，若UE僅用TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)中7個時隙中的一個時隙發(fā)射信號[2]，即在發(fā)射相同信號功率（比如24 dBm）時TDD系統(tǒng)的平均發(fā)射功率是FDD系統(tǒng)的1/7，比FDD模式下少8 dB。

在圖2中，TD-SCDMA的每一子幀（包含7個業(yè)務(wù)時隙3個特殊時隙）長度為5 ms，TX_ON為發(fā)射機打開的控制信號，RX_ON為接收機打開的控制信號。從圖中可以看到，TDD系統(tǒng)僅在射頻單元需要接收和發(fā)射有用信號的時隙打開相應(yīng)的電路，在空閑時隙則關(guān)閉相應(yīng)的射頻電路，從而大大減小了射頻單元的平均功耗。

 
圖2　TD-SCDMA系統(tǒng)控制信號的時序

4.2　時鐘門控技術(shù)

TD-SCDMA終端必須完成信道估計、卷積、矩陣相乘、Cholesky分解、下行同步、Turbo編解碼、突發(fā)生成等信號處理流程，而這些流程多數(shù)是由相應(yīng)的功能模塊來完成的。根據(jù)TD-SCDMA終端在工作狀態(tài)下的具體工作流程，合理地劃分相應(yīng)的功能模塊和分配軟硬件的工作，使各模塊的功能相對獨立，減小軟硬件之間復(fù)制搬移數(shù)據(jù)的次數(shù)。然后利用時鐘門控技術(shù)關(guān)閉不需要工作和某段時間不需要工作的電路單元，可大大減小終端的平均功耗。同樣，在DSP完成相應(yīng)的任務(wù)后終端立即進入睡眠模式，需要工作的時候重新喚醒，這樣也可達到進一步省電的目的。

4.3　基帶處理器和Modem IC的動態(tài)功耗管理

數(shù)字基帶處理器是TD-SCDMA終端中第二大耗電單元。要減小CMOS芯片的功耗，降低時鐘頻率或供電電壓是最直接有效的方法，但降頻和降壓在延時和功耗上需要取一個折中。單純的降低頻率并不會減小電路的能量消耗，因為此時處理器處理同樣的任務(wù)需要更長的時間。然而，仍然有辦法利用降頻降壓的方法在當(dāng)前的處理器上節(jié)省功耗，那就是動態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)。目前的處理器在設(shè)計時大都考慮了系統(tǒng)最大的性能需求，而移動終端在大部分的工作時間里并不需要這樣高的性能，因此，在處理器負荷較輕的情況下，同時降低時鐘頻率和供電電壓就可以大幅降低平均功耗，同時又可以滿足系統(tǒng)的性能要求。

根據(jù)所采用處理器的硬件特性，并結(jié)合TD-SCDMA終端不同業(yè)務(wù)對系統(tǒng)性能的不同需求，把所有的業(yè)務(wù)劃分成幾類不同等級的典型業(yè)務(wù)。在滿足該等級業(yè)務(wù)性能需求的前提下，適當(dāng)降低基帶處理器的運行頻率和工作電壓，從而大幅降低平均工作電流。TD-SCDMA終端基帶處理器和Modem IC在不同典型業(yè)務(wù)下的動態(tài)功耗管理結(jié)果如表1所示。

表1　TD-SCDMA終端基帶處理器和Modem IC在不同典型業(yè)務(wù)下的動態(tài)功耗管理結(jié)果

從表1可以看出，當(dāng)TD-SCDMA多媒體終端在提供視頻業(yè)務(wù)的時候，采用動態(tài)功耗管理將使數(shù)字基帶處理芯片的功耗節(jié)省20%以上，而在提供數(shù)據(jù)處理量較小的傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)時節(jié)省功耗30%以上，從而大幅延長了終端的連續(xù)工作時間。

4.4　TD-SCDMA終端功放的動態(tài)功耗管理

射頻收發(fā)信機中的功放是TD-SCDMA終端中最耗電單元之一。TD-SCDMA終端的線性功放有別于2G系統(tǒng)中普遍采用的非線性功放。線性功放非常適用于采用非恒定包絡(luò)調(diào)制方式（如QPSK）的系統(tǒng)，可減小失真和鄰道干擾[3，4]，但其最大的缺點是效率低，通常在30%左右。如何提高功放的實際平均效率以延長終端的連續(xù)工作時間呢?

根據(jù)統(tǒng)計分析可知，在絕大多數(shù)情況下，TD-SCDMA終端的發(fā)射功率都遠低于其最大發(fā)射功率24 dBm，90%左右的發(fā)射功率都低于16 dBm，這得益于TD-SCDMA系統(tǒng)精確快速的功率控制，不僅克服了“遠近效應(yīng)”，而且提高了系統(tǒng)容量。因此，結(jié)合線性功放的結(jié)構(gòu)特性，區(qū)別于傳統(tǒng)的電池直接供電方式，TD-SCDMA終端功放的一種改進控制方案如圖3所示，功放的供電電壓由基帶處理芯片通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出來控制。不同發(fā)射功率和其對應(yīng)的供電電壓以滿足系統(tǒng)ACLR（鄰信道泄漏功率比）要求為原則來確定，對于TD-SCDMA系統(tǒng)，要求在距中心頻率±1.6 MHz處的ACLR為-33 dBc（ACLR1），在距中心頻率±3.2 MHz處的ACLR為-43 dBc（ACLR2）[5]。

以終端方案中采用的MAXIM 2507中的集成功放為例，其ACLR1=-38.3 dBc、ACLR2=-53.5 dBc，與標準規(guī)定的值相比，分別提供了5.3 dB和10.5 dB的余量。采用如圖3所示方案和傳統(tǒng)電池直接供應(yīng)方案所得的測試結(jié)果如表2所示。

 
圖3　TD-SCDMA功放的可調(diào)電壓供電方式

表2　電壓可調(diào)方式和電池直接供電方式的功耗對比

由此可見，電壓可調(diào)方案對于TD-SCDMA終端很少使用的最大發(fā)射功率情況下的功耗節(jié)省效果并不明顯，但對于其最常用的低發(fā)射功率情況，可使功放平均省電60%以上。

4.5　軟件和算法的省電措施

軟件和算法對于系統(tǒng)功耗同樣有很大的影響。通過對軟件代碼和算法的優(yōu)化，減小指令總線上的翻轉(zhuǎn)概率和對存儲器的訪問量，也可以達到減小功耗的目的。高的代碼密度不但可以降低功耗，而且可以提高性能，因為它使得完成同一功能所需的機器周期個數(shù)變得更少。

通過算法的優(yōu)化縮短TD-SCDMA物理層測量的時間和小區(qū)初搜等過程的持續(xù)時間，把工作狀態(tài)下最常調(diào)用的函數(shù)置入基帶處理器的高速緩沖存儲器中以提高MIPS（每秒指令數(shù)），把對外部存儲器的讀寫方式由正常方式改為突發(fā)方式以提高存取效率等，這些軟件優(yōu)化的途徑都可以達到省電的目的。在實踐的過程中得出，通過上述的軟件優(yōu)化方法可使TD-SCDMA多媒體終端的耗電直接減小40 mA。

5、省電方案的效果測評

按照第三代移動通信技術(shù)試驗專家組制定的《TD-SCDMA研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目——終端耗電性能測試規(guī)范》[5]，通過測量終端連續(xù)工作時的耗電電流，然后根據(jù)終端電池的標稱容量可折算出連續(xù)工作時長。采用Agilent的移動終端快速響應(yīng)直流電源對本文終端在視頻業(yè)務(wù)下的耗電情況進行測試，結(jié)果如圖4所示。其中接收信號電平為-92 dBm。

從圖4可以看出，TD-SCDMA多媒體終端在視頻業(yè)務(wù)下的平均電流為195 mA，所用鋰電池的標稱容量為1 000 mAh，即該終端在視頻業(yè)務(wù)下可連續(xù)工作5 h。

 
圖4　TD-SCDMA多媒體終端在視頻業(yè)務(wù)下的耗電測試結(jié)果

從測試結(jié)果中也可看出，由于TDD的工作方式，TD-SCDMA終端在工作模式下僅需在發(fā)射時隙打開發(fā)射通路并關(guān)閉接收通路，在接收時隙打開接收通路并關(guān)閉發(fā)射通路，而其他幾個空閑時隙則完全關(guān)閉發(fā)射及接收通路，故同一子幀內(nèi)最大電流和最小電流相差可達160 mA，從而大幅降低了平均功耗。

6、結(jié)語

工作模式下TD-SCDMA多媒體終端的省電技術(shù)是一個系統(tǒng)級的難題，必須從硬件特性和軟件決策管理上雙管齊下才能達到良好的效果。結(jié)合TD- SCDMA多媒體終端的具體特性和工作特點，采用本文所述的多種綜合省電技術(shù)后，該終端在視頻電話狀態(tài)下的耗電電流從最初的400 mA降低到了目前的195 mA，功耗節(jié)省約50%，且工作穩(wěn)定，較好地解決了困擾業(yè)界的TD-SCDMA終端功耗過大的難題，也為推動TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展盡了一份微薄之力。

參考文獻

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[2]　李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準.北京：人民郵電出版社，2003
[3]　Prokis J G.Digital communications，forth edition.北京：人民郵電出版社。2002
[4]　RITT.TD-SCDMA研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目—終端耗電性能測試規(guī)范（V5.2），2005
[5]　3GPP TS25.945.RF requirements for 1.28Mcps UTRA TDD option，V5.1.0，2004