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DSP增强第三代基站设计的灵活性

2008-04-01 嵌入式在线收藏 | 打印

　　设计人员正在进行第3代移动通信基站设备的研制。这种新设备将使服务供应商能容纳更多的用户（从而有更多的营收额），而更重要的是用户获得更高速率的数据服务，包括因特网无线接入和无线视频传输。

第3代的数据速率目标为2Mb/s，其标准由3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）制订。设备制造商赢得这个市场的关键在于具有建造一个灵活系统的能力。尽管今日的建议谈的是达到2Mb/s的数据速率，但是明日的10Mb/s速率又该怎么办呢？灵活设计应该使部署的系统能够随着客户的要求与服务提供商的需求而增长。

　　这种系统设计中的灵活性对服务提供商有很大的经济价值，因为它能延长他们对设备投资获得回报的时间。在这段时间内，由于系统可编程以及通过替换最少数量的板卡而扩展，提供新服务所需的资金可以减少。从而，设备制造商在可扩展和灵活的系统上只需花费较低的总工程成本，就可满足服务提供商的未来需求-以较低成本得到不断增加的容量的需求。

　　对设计工程师而言，灵活性意味着很多方面，包括考虑新的技术。3G系统的心脏是原始信号处理，既有模拟信号也有数字信号。像直接中频（IF）采样，直接数字下变换、数字信号处理以及可配置逻辑器件，这样一些技术使得今日的基站设计选择比第2代（2G）系统的范围要灵活得多。采用这些技术，设计工程师能够建立基础设施的设备，使之具有支持服务提供商需求的灵活性，而且，当基础设施需求增长时，其性能和吞吐能力可以扩展。

3G系统内有多个DSP

基站内需要高性能DSP的关键部分包括：
　　● 带自适应数字波束成形的天线阵列
　　● 功率控制
　　● 语音处理
　　● 基带Modem

在这些功能模块中采用的算法是乘加密集的（即包括很多乘与加的计算步骤）。3G中乘加密集的功能包括FIR、相关和均衡等计算。

　　这些算法执行速度越快，基站的质量和性能就越好。

　　选择DSP以获得所需的计算速度时，并非简单地规定更高的时钟频率就行了。系统结构和指令集极大地影响算法执行的速度?quot;MIPS"（百万条指令每秒）也并非是一种有效的度量，因为各家厂商计算指令条数差别很大。一种被推荐的非常有用的度量与算法执行速度密切相关，称为百万次乘加每秒（MMACS）的峰值。它是通过时钟频率与DSP在每个时钟周期内能执行的乘加计算次数相乘而得到。

　　需考虑的另一方面是采用的DSP系统结构的类型。可考虑两种新提出的系统结构类型：超长指令字（VLIW）和静态超标量。

VLIW企图通过降低硬件复杂性来减低成本与增加执行速度。在VLIW中的系列化机制依赖于指令格式，其中芯片内每一执行单元都在程序员或编译程序的直接控制之下。不幸的是，对于维护数据依赖的完整性与避免实时处理有关的调度风险，VLIW几乎很少或没有硬件支持。在VLIW中，一次特殊实现中所有的操作延时完全由软件来承担。Texas Instruments公司的TMS320C6X系列是采用VLIW系统结构的一个例子。

静态超标量系统结构实施一种一致的与功能定义清楚的编程模型，而且调度在执行时间以前确定。它结合了静态调度方法，这和在VLIW中看到的相似；但是，它保留了很多超标量和RISC属性，可以实现实时系统。因此，可以直接用汇编语言编写代码，无需进行复杂的时序预测。Analog Devices公司的TigerSHARC DSP是采用静态超标量系统结构的一个例子。

带自适应数字波束成形的天线阵列

　　数字波束成形算法的设计是为了在噪音环境下找准信号源位置。它们迅速地比较几个空中配置的天线的响应；计算结果为一个可以相信是来自目标方向的信号。基本上它们计算一种相关函数，可以比较信号并且给出所求信号与接收信号密切程度的度量。由于算法中涉及的因素很多，而且它们的动态范围很宽，几乎毫无例外地采用浮点乘加运算，以便使舍入误差最小。

　　目标是移动的，而且移动的速度可能相当大，这也使计算增加了另一方面的复杂性。自适应波束成形利用附加的信息连续跟踪移动目标。在3G系统中的波束成形可以同"钉耙"式接收机集成在一起，其中进行信号运算以便克服衰落和多径效应。对于这些算法，TigerSHARC的高速浮点计算性能非常合适。

功率控制

　　在3G建议的码分多址（CDMA）系统中，由基站对远程单元发射机进行功率控制，对于补偿快速衰落和最大发射功率以及避免近-远问题是很关键的。它是减少蜂窝间相互干扰所必需。进行功率控制所需的计算是乘加密集的，需要高性能的数字信号处理以满足3G系统对时延的要求。

　　基站也可以执行反馈方式多样性发射（FMTD）算法，它是一种功率控制/波束成形应用，采用可变权重的多天线发射。同样，类似于钉耙式接收机，计算也是乘加密集的。对于这种应用，ADSP-2106L SHARC是一种可选的处理器。

　　语音处理

　　在蜂窝通信系统中，DSP是进行语音处理的传统选择。电话用户对于系统的话音质量的评价与语音编码器的性能直接相关，而且语音编码器还对信道密度有很强的影响。在当前的2G系统中今日仍在使用的几种语音编码器，它们也必须在3G系统中得到支持。（参见表1）。虽然较低的编解码位率增加设备容量，但它们使语音质量变差。追求高质量语音处理的DSP的关键特征是结合了大量片上RAM和支持快速上下文切换与高信道密度的强大处理能力。ADSP-21mod980带有8个DSP核，运算速率达600MMACS（百万次MAC每秒），是这部分信号链的理想候选者。

语音辩解码	位率(Kbps)	标准
QCELP	B	IS-95
EVRC	可变	IS-95
ACELP	13	IS-95
VSELP	8	IS-136
GSM FR	13	GSM
GSM EFR	12.2	GSM
AMR	可变	3G
GSM HR	5.6	GSM
JVSELP	8	PDC

基带Modem

　　预期3G标准是推动涉及宽带信号发射的应用的一个基本因素。相应地，必须设计和实现基带Modem。使之具有混合高带宽应用和低带宽话音与寻呼的能力。在下行链路中，基带收发站把并行的传输块流包装进物理信道中；而在上行链路中，它从基带信号重建传输块。

　　给出了3G基站的典型基带Modem部分，包括上行链路和下行链路的配置。在上行链路首先对传输块进行差错编码。然后，传输块被重新排序，并且在发送到射频前与其他信道再组合。在下行链路首先利用钉耙式接收机分出多径效应，可能组合来自几个天线的数据。然后，传输块被恢复至它们原先的次序和信道，再进行前向纠错。

在下一节中基带Modem的划分阐明了设计人员可在哪些部分选择使用DSP。在进行未来设计的反复推敲时，必须在极小化性能成本与极大化系统灵活性之间寻找最优的方案。

基带Modem划分

　　1. 仔细划分可以提高系统的灵活性

　　当你在决定划分Modem的时候，算法的性质和数据速率对于决定何者应该用ASIC处理、何者应该在DSP内执行起关键的作用。下一段较详细地说明这些算法中的几种，并且解释进行的协调。这个指导原则依赖于处理指定带宽的N个信道的成本。为了达到最大的灵活性，整个结构可以利用DSP的簇来实现。另一方面，规格固定的部分用ASIC实现最为经济。当评价最恰当的方法时，灵活性准则要求工程师考虑如何使设计支持：

● 把系统中的部件迅速升级至更新的技术，
　　● 扩展系统以提高性能，
　　● 通过增加新功能使产品更优异。

　　2. 钉耙式接收、信道编解码的硬件-软件协调

各功能块执行不同类型的计算。为了准确地了解哪一部分采用DSP比其他途径更合适，需要全面考察一下。

　　交织、信道分割以及速率匹配是I/O密集的操作，它们组合来自几个信号源的数据，进行数据的重新组织，使误差的影响最小化。由于参数、数据率以及存储器寻址的可变性，这些功能的操作用DSP去做非常合适；而用ASIC芯片去实现很难做到成本合算。

　　差错编码和纠错算法包含相当多的位操作，合理地实现它可以在DSP内进行。纠错算法也代表了Modem中的可以由设备制造商做出特色来的那一部分。编码标准已经固定了，而解码部分留给制造商用自己的专用方法去实现。具有很强ASIC设计制作能力的公司可能会选择用硬件实现；精于编程而且要求灵活性的其他公司会选择DSP方法。ADI的TigerSHARC DSP提供了单个高速3G数据信道所需的全部处理能力。

　　采用扩频通信的3G系统将利用CDMA扩展码，以达到更加有效地使用可用带宽。扩频与解扩频算法是乘加密集的，但是数据速率极高。"钉耙"式接收机得名于它的示意图与花园中的钉耙相像。每一根耙指试图将进入的数据与预期的扩展码进行相关。其结果是"钉耙"式接收机需要具有已确定带宽K倍的处理能力，其中K是钉耙中耙指个数。除此之外，接收机还必须按照扩展码设定的频率进行工作。

　　今日的DSP技术还不能成本合算地支持3G系统中进行扩频和解扩频所需的带宽。但是，几年后才会制造和安装商用的3G系统，存在各方面的推动力量去改变这种状况。仔细地考虑一下DSP的升级路线及预计性能可以表明，等到部署3G系统之时，这些功能都可以用DSP成本有效地实现。

　　无缝的同构与异构多处理

　　不论基带Modem各部分实现中采用何种技术，很大量的数据都必须在系统中移动。在考虑设计时，必须使用支持高带宽通信的器件（或器件组）。TigerSHARC DSP为高速通信提供几种选择，包括片上DMA与SDRAM，以及专用的用户可编程链接端口。在多处理器设计中，可以利用高速聚合总线连接多达8个TigerSHARC DSP，而不需要附加逻辑。

结论

　　为了达到未来语音与数据应用所需的高性能和灵活性，3G基站的设计者将采用DSP。各种级别的灵活性将推动可扩展的技术被采用，例如静态超标量系统结构和系统器件的无缝互连。有效地体现这些设计原则将使3G完成它的承诺，为明日的关键性应用提供所需的无线基础设施的坚实基础。