嵌入式矢量处理器是实现软件无线电的有效途径

最新的移动电话已经可以在蜂窝网络上提供多频段和多模式操作。它们使用越来越多的通信管道来实现Wi-Fi连接、数字电视、数字音频广播和GPS卫星接收以及其它技术。而面向无线USB的超宽带(UWB)和面向移动互联网接入的WiMAX很快也将得以实现。

移动设备间的功能融合意味着这些众多的射频通信/广播标准组合也将出现在PDA、笔记本电脑和游戏机上。对这些消费类产品而言，其体积、成本和功耗约束使得每个标准使用一个专用无线收发器的方案不再可行。而利用先进的可编程数字信号处理器(如嵌入式矢量处理器，简称EVP)来实现软件无线电(SDR)是一种理想的解决方案：单个模块就可以处理所有这些标准。

蓝牙和Wi-Fi等专用无线收发器模块取得市场成功的原因之一是，这些通信模块大多数是附加功能，而不是标准配置。因此，那些允许制造商通过简单地插入适当的模块(包括必要的射频和基带处理部分)配置出支持不同标准设备的方案具有明显的好处。

然而，随着这些无线通信信道逐渐成为设备的标准配置，继续使用这种专用模块具有很大的问题。不仅各个模块的总体积很难被容纳，总的功耗也会大大缩短电池使用时间，而且硅片面积的增加将对生产成本产生负面影响。另外，在多个通信信道必须同时激活的情况下，多个模块的共存将出现问题，因为天线之间会产生相互干扰。

多通信信道

减少体积、成本、功耗以及天线干扰意味着需要采用一种特殊的架构，在这种架构中所有或部分射频和基带功能将共享给不同的射频通信信道。例如在某个集成解决方案中，工作在相同频段的多个信道(如蓝牙和IEEE802.11b/g)可以智能地共享天线、低噪声放大器和混频器等射频硬件。同样的，使用相似调制机制的信道可以共享单个可编程modem。

这样就形成了新的多频段多模式架构，在这种架构中不同的射频部分、不同的modem被集成在一起，彼此间最好还要有一个标准化的数字接口。为了让单个硬件modem向多个不同的无线通信信道提供服务，需要采用高度灵活、软件可编程的modem引擎。

 

 

图1：NXP公司提出的通信管线和内部硬件上的模块映射示意图。

实际上，modem引擎是制造商在市场中实现产品差异化的最好切入点之一，因为这些引擎可以用来增强无线性能。任何移动通信标准的空中接口都有严格的定义，除了选择最好的实现技术外(如使用合适的RF CMOS、BiCOMS或GaAs工艺技术)，制造商难有增强射频前端性能的空间。处于modem管线另一端的编解码器的实现所要求的算法类型也有完善的定义。而位于射频前端和编解码器之间的modem就显得非常重要了，在这里可以利用专有IP先对调整调制/解调后的信号进行处理，然后再送到编解码器，从而获得更低的误码率(BER)，或在BER一定的条件下降低发送/接收功率。

由于上述信号处理和调整必须适应局部条件，如多径衰落和干扰，因此通过在高端软件可编程DSP上运行的DSP算法来完成这一任务是非常理想的。这种可编程方法可以适应不断变化的标准和现场测试结果，而且能够增加新的更智能的算法(如为了改善信噪比)，这在硬件解决方案中是很难在后续流程中不经过硅片重新设计就能实现的。

鉴于这些算法的复杂性，modem管线应用中使用的处理器必须具有超强的性能，一般要超过每秒1万兆次操作(Gops)。然而，采用这些设计的设备一般是电池供电的移动设备，也就意味着这些处理器必须消耗很少的功率(一般不超过数百毫瓦)。采用先进的低功率/低漏电流CMOS制造技术将使处理器的最高时钟速率限制在300MHz。为了在这种时钟速率下达到要求的Gops性能，处理器必须采用很高层次的并行机制(比如通过执行矢量宽度处理)。

可以经过矢量化在矢量处理器上运行的算法包括了信号调整功能，如均衡、干扰抵消和多径相关(Rake接收机)，以及信号处理功能，如同步、正交幅度调制(QAM)映射/去映射以及OFDM解调用的FFT。

软件可编程性能当然还有其它的优势。它能让OEM利用单个免费的硅片平台实现产品的差异化，它有助于未来升级成更新更先进的算法。在升级modem性能或者在设计过程中增加性能时，基于DSP的modem也表现得更加灵活。可编程架构的替代方案都有哪些呢?目前有两种其它的方法可以使用：硬连线的专用构建模块和可重复编程/可重复配置的硬件(如FPGA)。

硬连线的构建模块目前主要用于只实现相对较少(固定)数量标准的手机。虽然对有限的这些应用中它们极具性价比，但随着标准数量的增加，它们所需的面积会急剧增加。事实上，最近NXP公司对目前可用解决方案所进行的分析表明，使用专用模块方法在单个设备中处理Edge、R'99、HSDPA和HSUPA标准的解决方案所需的面积要比可编程解决方案(如NXP的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同标准有很大的区别，而用硬件解决方案实现标准间的高效资源共享要想优化到这个水平所需的开发时间太长。可编程解决方案还允许增加新的更智能的算法而不要求新的出带，同时可以适应不断变化的标准和现场测试结果。

其它常见的解决方案是使用可编程/可重配置硬件，如FPGA(这是3G基站的典型方案)。虽然这里的资源再利用水平甚至比可编程解决方案高，但目前的FPGA在硅片面积方面仍然较昂贵，因为与固定实现(专用硬件或可编程架构)相比，它的有效门面积小很多。另外，较大的面积会直接影响手机的待机时间，这意味着漏电流可能是个问题。

因此从面积/成本的角度看，可编程架构是最佳的解决方案。可编程架构的功耗要比硬连线解决方案稍高些，但从更大的系统角度看，这个折衷是可以接受的，因为增加的功耗可以在其它地方得到补偿。例如在系统研究中，NXP发现待机功率有所降低，因为可编程方法可以实现更智能的算法以缩短待机时的激活时间。

 

 

图2：根据单个任务运算量，软件定义无线电可实现微控制器、DSP等多功能混合。

软件无线电

在实现SDR时，“矢量处理器”被推荐为经典SIMD处理类型的扩展。增加“矢量内部处理”可以实现矢量内部单元间的交互。这样在通信信号处理中常见的FFT蝶形运算、导频信道删除和其它运算需要时，可以对矢量内的数据进行任意重排序。[!--empirenews.page--]

与纯SIMD相比，这种方法可以显著提高运算效率。在这种情况下如果用纯SIMD方法，低效运行的顺序处理方式通常是唯一可用的解决方案。由于可编程EVP可以为许多不同的通信标准实现高度自适应的modem功能，并能协商实现从一种标准到另外一种标准的平滑过渡，因此可编程EVP是软件无线电的关键实现单元。

除了满足非常高的Gops条件外，这种处理器还能满足电池供电、便携式产品的硅片面积和成本要求。其非常高等级的可编程性不仅能够适应移动设备中无线通信系统的多样性，还允许制造商紧跟这些标准的发展和使用情景以及新算法的开发。可编程EVP还可以帮助制造商“空中”修复或升级他们的产品，并通过部署更广的覆盖率或更高的数据下载速率来减少现场返修率或增强用户体验。

然而，矢量处理器的软件可编程特性只能在缩短上市时间、增加产品差异性或降低成本方面提供真正价值的时间和场合发挥作用。事实上仍有相当多的基带处理场合不适合软件可编程，而硬连线、更专用的子模块更合适。

例如，包含Viterbi和Turbo编码/解码功能的编解码器在软件可编程编解码引擎上可能要占用巨大的处理资源，特别是数据比特率很高时(一般超过100Mbps)。然而，这些功能并不真正需要软件可编程性，因为标准之间的差异很小。因此采用可重配置编解码器解决方案实现这些功能的硬件加速比用软件可编程方案更有意义。对信道滤波来说同样是这样。

软件无线电因此不可能完全是软件可编程的解决方案。事实上，在SDR的射频前端将是可编程性和软件控制下的可重配置性的混合，其中嵌入式微控制器、数字信号处理器、矢量处理器和硬件加速器都各有用武之地。

随着模数和数模转换向中频级电路的转移，SDR也可能影响到未来多模式、多信道射频收发机的划分。信道滤波、modem和编解码功能可能要么移到主机的基带芯片中，要么被集中到单独的连接modem引擎。这样做不仅可以减少芯片数量，而且允许modem和基带功能从一种CMOS工艺技术快速转换到另一种，从而快速实现成本降低。同时，射频前端和功放仍能继续利用可以提供合适性能的技术实现。对2G、2.5G和3G手机收发器而言，在今后一段时间内仍可能继续使用BiCMOS或III-V工艺，虽然一些低端应用领域已在向RFCMOS转移。