编者按:软件定义的无线电(SDR)技术在创建2G/2.5G+3G双模或多模手机的应用方面已取得一定进步,但其高成本和高功耗仍令人无法接受。本文提出使用可编程的RF和混合信号硬件模块的过渡策略,使包含DSP等内核的数字基带逐步升级为纯粹的SDR平台。
在无线通信领域,以数据为中心的移动应用催生了新的3G标准。不幸的是,3G系统需要比2G系统更高的信道带宽和更复杂的调制方案。如果使用相同的硬件,系统很难实现后向兼容。
对试图创建双模或多模手机的设计师而言,目前有几种可能的解决方案。一种极端的做法是采用“蛮力” 方式,即构建两条完整的信号链,每条链路专用于一种空中接口；然后将它们强行设计到单部手机中,仅在用户接口处合二为一。另一种极端做法是软件定义的无线电(SDR),即依靠一个公共硬件平台使用软件来判定正在处理的信号属于哪种类型,然后执行相应的处理。
最近, SDR技术的进步使之打开了基站应用的大门,而针对手持设备的解决方案有望接踵而至。不过,这种可重配置解决方案的预期好处还是被高成本和高功耗所抵消。考察一下SDR的实际情况,妨碍其在无线行业获得更广泛应用的主要障碍正是令人望而却步的高成本。
伴随着每一代新无线标准的问世,基站对计算能力的需求都将急剧增加。虽然对更高性能的需求是恒定不变的,但同等重要的参数(如功耗、成本和电路板面积)开始被用来评估设计的价值,通常是以每通道的指标作为标准。
基站设计包含以下常用构建模块:射频、转换器、基带处理和控制。这些功能的分割取决于具体的无线标准。对于2/2.5G系统,典型的架构由一个多信道前端、宽带RF和转换器、数字接收/发射处理器和一个DSP组成。由于3G系统对处理能力的需求更高,设计师目前采用各种不同的技术来实现基带处理。它们包括ASIC、FPGA、DSP与FPGA的混合方案、各种不同形式的可编程专用标准产品以及完全可编程的DSP。这些方案的差别在于每信道的成本、功效、开发时间、灵活性及编程的易验证性,这些指标最终将决定成本的差异。除了高计算能力外,基于软件的解决方案还应该拥有足够的存储器和I/O带宽,而且能够无缝地工作在多处理器环境中。
现在,由于有了合适的DSP,软件定义的3G基站即将面市。TigerSharc系列的ADSP-TS201处理器正是一款这样的DSP,它具有所需的资源,能以一种纯粹基于指令的方法有效实现整个3G基带物理层协议栈,包括路径搜索、解扩频和解码等。这归功于以下两个措施:一、增强了传统指令的并行能力；二、定义了一套专用指令集。基于指令的解决方案具有极强的灵活性,表现在诸多方面:适应多种空中接口的灵活性；动态的可重配置,以实现负载平衡；以及在同一子程序内可以选择位精度。
在传统方法中,ASIC或FPGA被用于码片率(chip-rate)处理。在语音(高码片率、低符码率)与数据(低码片率、高符码率)通道混合的应用中,传统方案按照最坏的情况,设计成硬分割的系统。但基于软件的解决方案能够动态地转移处理负载。在基站中使用可编程DSP的其它好处包括:灵活的调度、解扩能力、有效地为多个芯片分配任务以及支持高级接收机技术,如多用户检测、干扰抑制和多天线等。
目前,在蜂窝基站中,SDR技术已经得到验证,所以将该技术转移到蜂窝电话中应该不是难事。但用于手机与用于基站的器件存在两个重大区别:成本和功耗。
基站对成本和功耗的要求不像手机那样严格。如果采用处理速度达数百Mips 的DSP来实现SDR,那么与基于ASIC的硬连线设计相比,器件的成本很容易被可重配置能力所抵消。虽然基于软件的设计的每通道功耗通常比基于ASIC或FPGA的设计低,但两种方案都是基于使用线电源的假设,这使得低功耗只是一个额外的好处,而非必然结果。
但蜂窝终端是对功耗和成本要求最苛刻的电子产品之一。手机使用的电池必须足够小,以便能装进符合客户要求的微型外壳中,但其支持的待机和通话时间却要分别达到300和3小时左右。
在手机中采用多模SDR技术是一项令人生畏的挑战,但正在取得稳步进展。功耗约束也许是最大的挑战,因为构建GSM/W-CDMA双模终端所需的处理速度将导致便携设备无法接受的高功耗。
介于双信号b链方法与纯SDR手机之间的折衷步骤是使用可编程的硬件模块将数字基带处理器逐步升级到纯粹的SDR技术。所需的硬件模块包括RF和混合信号部分。因为在世界大部分地区,用于GSM/GPRS和3G/W-CDMA的RF频带是不同的,所以需要多频带RF。此外,因为网络之间需要交接,所以有必要提供一种平滑的方式来操作这些转换。使RF问题进一步复杂化的事实是,3G标准需要线性功率放大器和全双工操作(同时发射和接收),而GSM/GPRS对线性度的要求相对较宽,所需要的是时域双工操作。双模RF和功放已经问世,主要的实现问题大部分已经解决:首选的技术是直接转换RF和线性功放。
类似地,W-CDMA与GSM/ GPRS之间的信号带宽相差25倍,这使混合信号部分的设计变得复杂,特别是基带A/D和D/A转换器及其相应的滤波器。在RF部分,采用可编程硬件的解决方案已经得到验证,而且设计师已经能很好地理解其中的技术难题。
数字基带平台已逐渐成为具有最高可编程性的无线手机的关键部件。根据不同的终端架构和集成水平,数字基带包含一组完整的基带处理功能,而且通常依赖于多内核平台,包括DSP和MCU内核、面向指定无线标准的专用硬件功能(加速器、协处理器等)以及相对较大的内部存储器。
根据DSP提供的处理能力,许多功能可以用软件来实现。随着时间的推移,旧有标准的功能倾向于从专用硬件模块转移到DSP。另一方面,新的高复杂功能又需要专用硬件来完成,如码片率处理、蜂窝搜索、路径搜索算法和turbo解码等。
因此,我们已迈出采用SDR来创建多模3G手机的第一步。时间将证明SDR技术的支持者是否与发展GSM标准的先驱一样具有远见。
作者:Jose Fridman
系统工程师
Doug Grant
无线业务发展总监
Zoran Zvonar
高级系统工程师
模拟器件公司
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