嵌入式矢量處理器是實現(xiàn)軟件無線電的有效途徑

最新的移動電話已經可以在蜂窩網絡上提供多頻段和多模式操作。它們使用越來越多的通信管道來實現(xiàn)Wi-Fi連接、數字電視、數字音頻廣播和GPS衛(wèi)星接收以及其它技術。而面向無線USB的超寬帶(UWB)和面向移動互聯(lián)網接入的WiMAX很快也將得以實現(xiàn)。

移動設備間的功能融合意味著這些眾多的射頻通信/廣播標準組合也將出現(xiàn)在PDA、筆記本電腦和游戲機上。對這些消費類產品而言，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(fā)器的方案不再可行。而利用先進的可編程數字信號處理器(如嵌入式矢量處理器，簡稱EVP)來實現(xiàn)軟件無線電(SDR)是一種理想的解決方案：單個模塊就可以處理所有這些標準。

藍牙和Wi-Fi等專用無線收發(fā)器模塊取得市場成功的原因之一是，這些通信模塊大多數是附加功能，而不是標準配置。因此，那些允許制造商通過簡單地插入適當的模塊(包括必要的射頻和基帶處理部分)配置出支持不同標準設備的方案具有明顯的好處。

然而，隨著這些無線通信信道逐漸成為設備的標準配置，繼續(xù)使用這種專用模塊具有很大的問題。不僅各個模塊的總體積很難被容納，總的功耗也會大大縮短電池使用時間，而且硅片面積的增加將對生產成本產生負面影響。另外，在多個通信信道必須同時激活的情況下，多個模塊的共存將出現(xiàn)問題，因為天線之間會產生相互干擾。

多通信信道

減少體積、成本、功耗以及天線干擾意味著需要采用一種特殊的架構，在這種架構中所有或部分射頻和基帶功能將共享給不同的射頻通信信道。例如在某個集成解決方案中，工作在相同頻段的多個信道(如藍牙和IEEE802.11b/g)可以智能地共享天線、低噪聲放大器和混頻器等射頻硬件。同樣的，使用相似調制機制的信道可以共享單個可編程modem。

這樣就形成了新的多頻段多模式架構，在這種架構中不同的射頻部分、不同的modem被集成在一起，彼此間最好還要有一個標準化的數字接口。為了讓單個硬件modem向多個不同的無線通信信道提供服務，需要采用高度靈活、軟件可編程的modem引擎。

圖1：NXP公司提出的通信管線和內部硬件上的模塊映射示意圖。

實際上，modem引擎是制造商在市場中實現(xiàn)產品差異化的最好切入點之一，因為這些引擎可以用來增強無線性能。任何移動通信標準的空中接口都有嚴格的定義，除了選擇最好的實現(xiàn)技術外(如使用合適的RF CMOS、BiCOMS或GaAs工藝技術)，制造商難有增強射頻前端性能的空間。處于modem管線另一端的編解碼器的實現(xiàn)所要求的算法類型也有完善的定義。而位于射頻前端和編解碼器之間的modem就顯得非常重要了，在這里可以利用專有IP先對調整調制/解調后的信號進行處理，然后再送到編解碼器，從而獲得更低的誤碼率(BER)，或在BER一定的條件下降低發(fā)送/接收功率。

由于上述信號處理和調整必須適應局部條件，如多徑衰落和干擾，因此通過在高端軟件可編程DSP上運行的DSP算法來完成這一任務是非常理想的。這種可編程方法可以適應不斷變化的標準和現(xiàn)場測試結果，而且能夠增加新的更智能的算法(如為了改善信噪比)，這在硬件解決方案中是很難在后續(xù)流程中不經過硅片重新設計就能實現(xiàn)的。

鑒于這些算法的復雜性，modem管線應用中使用的處理器必須具有超強的性能，一般要超過每秒1萬兆次操作(Gops)。然而，采用這些設計的設備一般是電池供電的移動設備，也就意味著這些處理器必須消耗很少的功率(一般不超過數百毫瓦)。采用先進的低功率/低漏電流CMOS制造技術將使處理器的最高時鐘速率限制在300MHz。為了在這種時鐘速率下達到要求的Gops性能，處理器必須采用很高層次的并行機制(比如通過執(zhí)行矢量寬度處理)。

可以經過矢量化在矢量處理器上運行的算法包括了信號調整功能，如均衡、干擾抵消和多徑相關(Rake接收機)，以及信號處理功能，如同步、正交幅度調制(QAM)映射/去映射以及OFDM解調用的FFT。

軟件可編程性能當然還有其它的優(yōu)勢。它能讓OEM利用單個免費的硅片平臺實現(xiàn)產品的差異化，它有助于未來升級成更新更先進的算法。在升級modem性能或者在設計過程中增加性能時，基于DSP的modem也表現(xiàn)得更加靈活。可編程架構的替代方案都有哪些呢?目前有兩種其它的方法可以使用：硬連線的專用構建模塊和可重復編程/可重復配置的硬件(如FPGA)。

硬連線的構建模塊目前主要用于只實現(xiàn)相對較少(固定)數量標準的手機。雖然對有限的這些應用中它們極具性價比，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NXP公司對目前可用解決方案所進行的分析表明，使用專用模塊方法在單個設備中處理Edge、R'99、HSDPA和HSUPA標準的解決方案所需的面積要比可編程解決方案(如NXP的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同標準有很大的區(qū)別，而用硬件解決方案實現(xiàn)標準間的高效資源共享要想優(yōu)化到這個水平所需的開發(fā)時間太長。可編程解決方案還允許增加新的更智能的算法而不要求新的出帶，同時可以適應不斷變化的標準和現(xiàn)場測試結果。

其它常見的解決方案是使用可編程/可重配置硬件，如FPGA(這是3G基站的典型方案)。雖然這里的資源再利用水平甚至比可編程解決方案高，但目前的FPGA在硅片面積方面仍然較昂貴，因為與固定實現(xiàn)(專用硬件或可編程架構)相比，它的有效門面積小很多。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個問題。

因此從面積/成本的角度看，可編程架構是最佳的解決方案。可編程架構的功耗要比硬連線解決方案稍高些，但從更大的系統(tǒng)角度看，這個折衷是可以接受的，因為增加的功耗可以在其它地方得到補償。例如在系統(tǒng)研究中，NXP發(fā)現(xiàn)待機功率有所降低，因為可編程方法可以實現(xiàn)更智能的算法以縮短待機時的激活時間。

圖2：根據單個任務運算量，軟件定義無線電可實現(xiàn)微控制器、DSP等多功能混合。

軟件無線電

在實現(xiàn)SDR時，“矢量處理器”被推薦為經典SIMD處理類型的擴展。增加“矢量內部處理”可以實現(xiàn)矢量內部單元間的交互。這樣在通信信號處理中常見的FFT蝶形運算、導頻信道刪除和其它運算需要時，可以對矢量內的數據進行任意重排序。