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處理器/DSP  

採用嵌入式向量處理器實現軟體定義無線電

上網時間: 2008年03月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:嵌入式向量處理器  軟體定義無線電  Wi-Fi  USB  FPGA 

最新的行動電話已經可以在蜂巢式網路上提供多頻和多模作業。它們使用越來越多的通訊方式實現Wi-Fi連接、數位電視、數位音訊廣播和GPS衛星接收以及其他技術。最新的技術是用於無線USB和WiMax,以實現行動網際網路接取的超寬頻(UWB)。

行動設備間的功能融合意味著這些眾多的射頻通訊/廣播標準組合也將出現在PDA、筆記型電腦和遊戲機上。對這些消費性產品而言,其體積、成本和功耗約束使得每個標準使用一個專用無線收發器的方案不再可行。而利用先進的可編程數位訊號處理器,如嵌入式向量處理器(EVP)實現的軟體定義無線電(SDR),則是理想的解決方案:僅需單一模組就可以處理所有標準。

藍牙和Wi-Fi等專用無線收發器模組取得市場成功的原因之一,在於這些通訊模組大多數是追加功能,而不是標準配置。因此允許製造商透過簡單地插入相應模組(包括必要的射頻和基頻處理模組),以配置出不同標準的設備,這種方案具有明顯的優勢。

然而,隨著這些無線通訊通道逐漸成為設備的標準配備,繼續使用這種專用模組將產生很大問題。不僅各個模組的總體積很難被納入單一設備中,整體功耗也會大幅縮短電池使用時間,而且矽晶片面積的增加將嚴重影響生產成本。另外,在多個通訊通道必須同時啟動的情況下,多個模組的共存將出現問題,因為許多天線之間會產生干擾。

多重通訊通道

要減少體積、成本和功耗以及天線干擾,必須採用一種特殊架構,這種架構中的所有或部份射頻和基頻功能將共享不同的射頻通訊通道。例如在某個整合方案中,工作在相同頻段的多個通道(如藍牙和IEEE802.11b/g)可智慧地共用天線、低雜訊放大器和混頻器等射頻硬體。同樣的,使用相似調變機制的通道可共用單一可編程數據機。

這將形成新的多頻段多模式架構,這種架構中的不同射頻部份、不同的數據機均被整合在一起,彼此間最好具備一個標準化的數位介面。為了讓單一硬體數據機能為多個不同的無線通訊通道提供服務,需採用高度靈活、軟體可編程的數據機引擎。

事實上,數據機引擎是製造商在市場中實現產品差異化的最好切入點之一,因為這些引擎可用來強化無線性能。任何行動通訊標準的空中介面都有嚴格定義,除了選擇最好的製程技術外(如RF CMOS、BiCOMS或GaAs),製造商很難再有強化射頻前端性能的空間。數據機管線另一端的編解碼器對所要求的演算法類型也有完善的定義。而位於射頻前端和編解碼器之間的數據機就顯得非常重要了,此處可利用專有IP先對調變/解調後的訊號進行處理,然後再送到編解碼器,以獲得更低的誤碼率(BER),或在特定的BER條件下降低發送/接收功率。

由於上述訊號處理和調整必須適應局部條件,如多徑衰落和干擾,因此,讓執行在高階軟體可編程DSP上的DSP演算法來完成這一任務非常理想。這種可編程方法可適應不斷變化的標準和現場測試結果,而且能增加新的智慧演算法(如為了改善訊息噪音比),在硬體解決方案的後端製造流程中,這是很難不經過再次投片就能實現的。

鑒於這些演算法的複雜性,數據機管線應用中使用的處理器必須具有超強性能,通常需超過每秒100億次作業(10Gops)。然而,採用這些設計的通常是電池供電的行動設備,這意味著處理器必須消耗很少的功率(通常不超過數百毫瓦)。採用先進的低功率/低漏電流CMOS製程技術,將使處理器的最高時脈速率限制在300MHz。為了在這種時脈速率下達到要求的Gops性能,處理器必須採用很高層次的平行機制(如透過執行向量寬度處理)。

可透過向量化在向量處理器上執行的演算法包含了訊號調整功能,如均衡、干擾抵銷和多徑關聯(傾斜接收機);訊號處理功能,如同步、正交振幅調變(QAM)映射/去映射以及OFDM解調用的FFT。

軟體可編程性能當然還有其他優勢。它能讓OEM商利用單一免費的矽晶片平台實現產品差異化,它有助於未來升級成更新更先進的演算法。在升級數據機性能或在設計過程中增加性能時,基於DSP的數據機也表現得更加靈活。可編程架構的替代方案有哪幾種呢?目前有兩種其他的方法可以使用:硬連線的專用建構模組和可重複編程/可重複配置的硬體(如FPGA)。

硬連線的建構模組目前主要用於僅包含較少標準的手機上。雖然在這些有限的應用中,硬連線模組極具性價比,但隨著標準數量的增加,它們所需的面積會急劇增加。事實上,最近恩智浦公司對目前可用解決方案的分析顯示,使用專用模組方法在單一設備中處理EDGE、R'99、HSDPA和HSUPA標準的解決方案所需面積,比可編程方案(如恩智浦的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同標準有很大差異,而若想實現最佳化,在採用硬體方案實現標準間的高效資源分享時,所需的開發時間太長。相較之下,可編程解決方案則允許增加新的更智慧的演算法,無需重新投片,還能適應不斷變化的標準和現場測試結果。

其他常見的解決方案是使用可編程/可重配置硬體,如FPGA(這是3G基地台的標準方案)。雖然此處的資源再利用水準甚至比可編程解決方案高,但目前的FPGA在矽晶片面積方面仍然較昂貴,因為與固定實現(專用硬體或可編程架構)相較,它的有效閘面積小很多。另外,較大的面積會直接影響手機的待機時間,這意味著漏電流可能是一個問題。

因此,從面積/成本的角度看,可編程架構是最最佳化的解決方案。可編程架構的功耗比硬連線解決方案稍高,但從更大的系統角度看,這個折衷是可以接受的,因為增加的功耗可以在其他地方得到補償。例如在系統研究中,恩智浦發現待機功率有所降低,因為可編程方法可實現更智慧的演算法來縮短待機時的啟動時間。

圖1:恩智浦公司提出的通訊管線和內部硬體上模組映射示意圖。
圖1:恩智浦公司提出的通訊管線和內部硬體上模組映射示意圖。

軟體定義無線電

在實現SDR時,‘向量處理器’被建義作為典型SIMD處理類型的擴展。增加‘向量內部處理’可以實現向量內部單元間的互動。如此一來,當通訊訊號處理中常見的FFT蝶形運算、導頻通道刪除和其他運算需要時,便可對向量內的資料進行任意重排序。

與純SIMD相較,這種方法可以顯著提高運算效率。在這種情況下如果用純SIMD方法,低效執行的順序處理方式通常是唯一可用的解決方案。由於可編程EVP可為許多不同的通訊標準實現高度自適應的數據機功能,並能協商實現從一種標準到另外一種標準的平滑過渡,因此可編程EVP是軟體定義無線電的關鍵元件。

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、可攜式產品的矽晶片面積和成本要求。其高階可編程性不僅能夠適應行動設備中無線通訊系統的多樣性,還允許製造商緊跟這些標準的發展和使用情景以及新演算法的開發。可編程EVP還可協助製造商‘空中’修復或升級產品,並透過部署更廣的覆蓋率或更高的資料下載速率,以減少現場維修或強化用戶體驗。

然而,向量處理器的軟體可編程特性只能在縮短上市時間、增加產品差異性或降低成本方面發揮作用。事實上,仍有相當多的基頻處理不適用軟體可編程,而更適合採用硬連線、更專用的子模組。

例如,包含Viterbi和Turbo編解碼功能的編解碼器在軟體可編程編解碼引擎上可能要佔用巨大的處理資源,特別是資料位元率很高時(超過100Mb/s)。然而,這些功能並不真正需要軟體可編程性,因為標準之間的差異很小。因此用可重配置編解碼器解決方案實現這些功能的硬體加速,要比採用軟體可編程方案更有意義。對通道濾波來說這一點同樣正確。

軟體定義無線電因此不可能完全是軟體可編程的解決方案。事實上,在SDR的射頻前端將是可編程性和軟體控制下的可重配置性的混合,其中嵌入式微控制器、數位訊號處理器、向量處理器和硬體加速器都各有用武之地。

隨著類比數位和數位類比轉換向中頻電路轉移,SDR也可能影響到未來多模、多通道射頻收發機的劃分。通道濾波、數據機和編解碼功能可能移到主機的基頻晶片中,或被集中到單獨連接的數據機引擎。這樣做不僅可以減少晶片數量,而且允許數據機和基頻功能從一種CMOS製程技術快速轉換到另一種,快速降低成本。同時,射頻前端和功率放大器仍能繼續利用可提供合適性能的技術。對2G、2.5G和3G手機收發器而言,雖然一些低階應用領域已經採用RFCMOS,但在今後一段時間內,仍可能繼續使用BICMOS或III-V製程。

圖2:軟體定義無線電根據運算量可能混合微控制器、DSP、向量處理以及硬體加速等功能。
圖2:軟體定義無線電根據運算量可能混合微控制器、DSP、向量處理以及硬體加速等功能。

作者:Kees Moerman

DSP研發中心首席架構師

恩智浦半導體公司




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