无线基带演进―4G调制解调器的多种设计方案

无线基带演进―4G调制解调器的多种设计方案

在4G无线基带的演进中，目前有两大不断发展的技术在争逐领导地位，这就是LTE和WiMAX。WiMAX的定位是计算设备和M2M的首选技术，以及为尚未发展的地区提供固定无线联机网络，并获得英特尔(Intel)和其它多家公司领导的WiMAX论坛支持。LTE则沿着“GSM”的路线，朝手机宽带的路线演进而来，由第三代合作伙伴项目(3GPP)支持，并被包括高通(Qualcomm)、意法-爱立信(ST-Ericsson)、Verizon、Vodafone在内的众多基带OEM厂商和运营商所采纳。最终哪项标准会获胜尚是未知之数，不过结果极有可能是两者共存，在不同地区服务不同的用户群。为了确保这两个标准都被4G调制解调器所支持，市场便需要一种能够同时满足在两种技术发展蓝图的灵活解决方案。

移动调制解调器的发展所面对的限制，不单限于越来越复杂无线标准。今天的智能电话必须支持多个无线接口。除WiMAX 和/或 LTE之外， 4G移动设备还需支持大量无线接口，如GSM、GPRS、EDGE、W-CMDA、HSPA和最新推出的HSPA+等。

由于无线基带市场的未来不可预见，致使芯片供货商所面临的环境十分严苛。开发成本和多个变化中的标准，使终端调制解调器的传统硬连线设计方法要面对更大的风险。譬如供货商开发出的芯片有可能瞄准了错误的标准，最终可能导致解决方案在发表之前就惨遭淘汰。更重要的是，硬连线很难在不必重复设计大量硅技术的前提下，就能够支持所有标准的灵活性，故其成本高昂、体积笨重且功耗大。这自然催生了具有足够灵活性，支持多个标准并能缩短开发周期的可编程解决方案的需求。

移动宽带调制解调器的不同设计方案

在新型移动基带芯片的设计中，有三个主要方案可供选用：

传统(硬连线)方案――整个调制解调器都采用硬件实现。这种方案的主要优点是可让首批芯片快速上市。此外，针对某个特定标准而设计的硬件，通常可确保最低功耗。不过，正如之前已经提及，这种方法缺乏灵活性，也不能配合未来产品更新换代的发展蓝图。

混合式方案――硬连线设计与可编程设计处理器的混合。调制解调器中需要灵活性的部分被映射到可编程DSP内核中，利用软件来实现灵活性。剩余的计算密集和灵活性较小的调制解调器部分，比如傅立叶变换(FFT)，则可以像传统硬连线方案般，利用硬件来实现。

 SDR方案－一种完全的“软件调制解调器”实现方案，可在同一块芯片上以软件同时支持多个无线标准。这种方案采用完全可编程设计解决方案，具有全面的灵活性，能够处理多个现有或未来的标准，而无需重新设计新产品。该方案的主要问题在于，相比专为所支持标准而优化的硬连线方案，其设计工作较复杂，功耗也比较高。

由于采用传统方案存在高风险性，无法满足当前不可预测的市场要求，所以任何供货商都不太可能选择这样一种架构。因此我们将着重讨论后两种可编程设计方案。

采用CEVA-X1641的混合式移动调制解调器方案

CEVA-X是一个高性能多用途的DSP内核系列，广泛用于移动和无线应用中，并已大批量付运到多家领导厂商。

CEVA-X1641区块示意图


CEVA-X1641是CEVA-X DSP系列中的一款四MAC单元产品，由 4 个16 位数据宽度的MAC 单元组成。在65nm的最差条件下，CEVA-X1641也能够在700 MHz以上的高频下运行。

这种高性能且易于使用的DSP针对移动调制解调器SoC提供了多个不同的软硬件划分。不同的基带客户能够在自己的调制解调器设计中，采用从单核心到多核心的不同实现方案和划分，并通过不同硬件加速器来完成调制解调器功能。选择一种极为强大的市场标准DSP架构(如CEVA-X1641)可以保护软件投资，并为未来产品世代确定发展蓝图。目前已经有多家CEVA客户选择CEVA-X1641作为首选DSP来构建4G调制解调器。

采用CEVA-XC的软件调制解调器SDR方案

CEVA-XC是一种专为先进的无线通信而设计与优化、功能极为强大的通信处理器。CEVA-XC是基于CEVA-X，可通过软件支持多种无线接口，包括要求最严苛的4G移动标准、LTE cat. 5 和 WiMAX II (IEEE 802.16m)，以及3G 与 3.5G。这种创新处理器能够同时支持同一个架构上的多个无线接口，实现真正的软件式调制解调器。

CEVA-XC采用软件可编程设计架构，通过单一引擎来完成所有无线处理工作，无需多个基带协处理器，这就省去了这类分布式架构常见的额外的内存、数据缓存和整体数据流量。从而降低功耗，缩小芯片尺寸。

CEVA-XC架构基于整合在CEVA-X处理器中的1、2 或 4个矢量通信单元(Vector Communications Unit)而构建。每个向量单元是一个256位SIMD引擎，采用3路VLIW和大量16 MAC、算法、逻辑及位移单元。CEVA-XC指令集可以满足4G无线调制解调器的要求，包括矩阵处理、MIMO检测器、复杂滤波、数据交换和比特流处理。



CEVA-XC区块示意图

小结

随着行业向4G方向发展，因开发成本和多个变化标准的问题，使传统基于硬连线的设计方案的风险大增。所以，设计一个能够迅速适应不断变化的标准，并可在多代产品上重复使用的灵活解决方案是至关重要的。一种基于混合式方案或全软件式调制解调器的可编程设计解决方案能够实现所需的可复用性，并确保产品能快速上市。

无线基带领导厂商早已认可转向可程序设计解决方案的发展趋势。目前正在围绕DSP架构(如本文介绍的两款CEVA DSP内核)进行标准化，获授权厂商可以根据其系统架构和灵活性水平进行选择。而且，最新的节能和工艺几何尺寸缩小技术，也使到这些可编程设计方案日渐成为多种应用中实现4G方案的首选方法。