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DSP在第三代移动通信系统中的应用

2/14/2005来源:移动通信人气:9067

DSP在第三代移动通信系统中的应用 摘要随着数字信号处理技术(DSP)的迅速发展,其应用范围不断扩大。第三代移动通 信已成为当前移动通信发展的热点问题,其基本要求是研制开发出体积小。重量轻、价格低 的移动通信设备。本文主要介绍DSP在第三代移动通信系统中的应用和最新发展动态。 关键词数字信号处理第三代移动通信系统 随着数字信号处理(DSP)技术的迅速发展,其应用范围正不断扩大,在许多应用中, 利用该技术可以在一块芯片上建立整个系统。从前,在系统中实现不同的功能需要有不同的 芯片,而现在只要用一片DSP芯片,就可完成各种不同的任务。虽然目前在执行单项功能时, 固定功能设备的效率更高,但当逐步增添设备功能时,通用DSP设备会显示出巨大的优越性。 软件升级可使系统结构更加灵活,只要升级下载程序,无需重构电路,就可实现新的功能。 由于卓越的灵活性和通用性,数字信号处理技术正作为长期服务手段不断发展,并为新一代 技术和标准的建立铺平道路。 近年来移动通信发展迅猛,自力年代末期模拟蜂窝系统问世以来,不到二十年时间,已 经发展到以数字化技术为特征的第二代移动通信。进入90年代以后,世界各国已着手探寻第 三代移动通信(即未来个人通信)的实现路径。 第三代移动通信标准有两个主要目标:(1)实现多媒体、宽带化、智能化和高质量的 全球通信;(2)规范寻呼、无绳、蜂窝和低轨道卫星在内的多种标准,统一“空中接口”。 IMT 2000将宽带 CDMA视为优先考虑的方案,但在频分模式的选择上,欧洲建议从GSM过渡, 北美建议向CDMA发展,日本则力求与欧洲靠近。 对于移动通信设备来说,要统一“空中接口”,主要的挑战来自:研制高性能芯片及其 制造技术;提高射频集成电路的集成度、开发单片微波集成电路(MMIC)和超级芯片(MBIC );研究软件无线电技术等。 在未来十年,移动通信设备仍将是数字信号处理器的最大用户。据ABI保守预测,到200 3年,仅基站一项,就需要用500万片数字信号处理器。 1 DSP产品的主要特点 (1)速度快 为了适应数字信号处理的需要,目前的数字信号处理器(DSP)都设置了硬件乘法/累 加器,大都能在单个指个周期内完成乘/累加运算。目前DSP的运算速率已达每秒千万次乃 至数十亿次定点运算或浮点运算。 为了满足快速傅里叶变换。卷积等数字信号处理的特殊要求,目前的DSP大多在指令系 统中设置了“循环寻址”、“位倒序”指令和其他特殊指令,以致寻址、排序和计算速度 大大提高。 高速数据传输能力是DSP作高速实时处理的关键之一。新型的DSP大多设置了单独的DMA 总线及其控制器,在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下,作并行数据传送,传送速 率可达数百字节,主要受片外存贮器速度的限制。 (2)在结构上提高并行性 随着应用的日益广泛,DSP已成为许多高级设计不可缺少的组成部分,因此DSP厂商的 投资主要集中于DSP体系结构、智能化程度更高的编译程序、更好的查铝工具和更多的支持 软件。 最明显的结构改进在于提高“并行性”,即在同一个指令周期内,DSP能完成多项操 作。新型DSP的发展方向,是在提高单片DSP性能的同时,在结构设计上十分注重为多处理 器的应用提供方便。 (3)设置仿真模块或仿真调试接口 DSP系统设计和软件开发往往需要相当规模的仿真调试系统,包括在线仿真器、电缆、 逻辑分析仪以及其它测试设备。在多处理器系统中,这个问题尤为突出。为了方便用户的 设计和调试,许多DSP片上均设置了仿真模块和仿真调试接口。 (4)低功耗 DSP处理速度越来越高,功能越来越强,但随之而付出的代价是功耗越来越大。因此 低工作电压和低功耗已成为DSP性能表征的重要技术指标之一。 (5)高集成度 随着专用集成电路的广泛应用,迫切要求将DSP的功能集成到专用集成电路(A-SIC) 中。为了顺应这种发展,并更进一步开拓DSP市场,各DSP生产厂家相继提出了DSP核的概 念,并推出相应产品。一般情况下,DSP核是通用DSP器件中的CPU部分,再配以按照客户 需要所选择的存贮器和外设,组成用户的ASIC。DSP核概念的提出与技术的发展,使用户 能通过DSP厂家的专业技术,实现自己的设计,从而提高ASIC的水准,大大缩短产品的上 市时间。 (6)不断完善开发环境和支持软件 随着专用集成电路(ASIC)技术的发展和DSP应用范围的迅速扩大,一些EDA公司也 将 DSP的硬件和软件开发纳入 EDAI作站的工作范畴,陆续推出了一些大型软件包,为用 户自行设计所需的DSP芯片和软件提供更好的环境。 2 DSP在第三代移动通信系统中的应用 (1)高性能DSP 第三代移动通信要求DSP的运算速度至少达到300MipS,才能实现各种繁杂的算法、 解压缩和编译码。目前,DSP在功能上趋向实现多个MAC和多个寄存器,更宽的程序总线 和数据总线;在结构上趋向采用单指令多数据(SIMD)、多指令多数据(MIMD)和超长 指令(VLIW)。TMS320C67X是第六代VIIW结构的DSP产品,浮点运算速度达IGFLOPS。TI 公司计划在2000年,将C67X系列的浮点运算速度提升到3GFLOPS,届时用一片C67X,就可 完成10片普通DSP的工作,而其单价与市面上普通浮点DSP的价格相当。C67X功能之强大, 足以为下一代个人通信提供高速、精确、多功能和多信道的解决方案。 过去,DSP一般采用高级C语言。为了适应将来无线访问Internet网络和多媒体业务 的需要,1997年10月,TI从Sun公司得到授权,获准将Personal java语言嵌入到DSP中。 Personal Java是一种适合个人网络连接和应用的Java环境,基于该环境的个人通信系统, 可以从网络和Internet上下载数据和图像。另外,TI还研究开发符合MPEG-4(待定)无 线解压缩标准的DSP。 为了研究开发适合下一代无线宽带应用的高性能DSP核,Motorola和Iucent于1998年 6月签署了DSP联盟协议,双方将合作在亚特兰大设立一个称为StarC0re的设计中心,同 时就现有DSP技术进行交互授权。StarCore设计中心将于 1999年完成第一个DSP核设计, 并逐步把 Motorola的 M.Core微处理器技术过渡到下一代高速DSIP核中。到2003年,真 正实现低功耗、多信道和实时嵌入控制。Motorola最近将16位DSP56600数字信号处理器 和32位M.Core微处理器集成为单片型 DSP 56652,开创了双核DSP之先河,该芯片的工 作电压仅为1.8V,可满足TDMA基带信号处理的需要,同时该芯片又是为Motorola下一代 Nextel移动电话而设计的。 个人移动电话(无论是GSM还是CDMA)和下一代个人通信业务系统的硬件都是由基 带单元和射频单元两大部分组成。目前无线通信的基带单元已从通用DSP加CPU发展到以 DSP和CPU为核,建立专用基带芯片组。自1996年基带芯片专用化以来,到1998年,基带 芯片组的数目已从3块变为2块。 (2) 提高射频集成电路的集成度 射频集成电路的集成有两个方向:(1)纵向发展,将接收机从接收混额直到零中 频的电路尽可能设计在一块芯片上;(2)横向发展,将收发信机中相近频率范围的电 路全部集成到一个模块上。在射频单元信号处理方面,还有一个新动向是向DSP技术转 移。DSP作为关键器件,将不断融合射频信号处理,特别是I/Q解调和调制、信道滤波 等。 DSP的控制领域将越来越接近射频前端,最终将其集成在内。Lucent计划在1999年, 将模拟 Uhura DSP与数字 Speck DSP集成在一片称为 Kirk的 DSP中,到 2000年,再 将射频前端集成到Kirk中,最终制成一块BROG超级芯片(MBIC)。 (3)软件无线电技术 对于第三代移动通信系统,争论最多的还是无线传输体制问题。目前具有代表性传 输体制的系统主要有三个:(1)以欧洲为代表的基于GSM系统的TDMA系统,(2)以北 美为代表的基于窄带IS-95的CDMA系统,(3)以日本为代表的宽带 CDMA系统。根据目 前的发展,由于受利益驱使和应用场合的限制,全世界的无线移动个人通信不可能统一 到一种体制上。在不同场合,不同体制有其固有的优越性,其它体制无法代替,因此不 同体制的互联性已成为一个重要讨论课题,多种体制并存是未来无线通信系统的必然趋 势。 软件无线电通过对模拟和数字硬件功能的软件化,达到提高业务质量和信道接入灵 活性的目标。在标准的兼容性、技术接人和经济性之间,软件无线电能够很好地折衷, 是实现不同多址接入方式兼容的最佳方案。通过软件无线电技术对多种体制进行综合, 开发出新一代的多模移动通信手机,实现一机在手漫游天下的设想,已成为第三代移动 通信的发展方向。 软件无线电利用DSP的强大处理能力和软件的灵活性,实现多种通信协议的兼容, 进行信道分离、解调和信道编译码等。例如在同一硬件上,可以用不同的软件处理数字 压缩的话音(如 GSM)或模拟调频话音(如AMPS)。软件无线电技术的发展和实用取决 于高速集成电路,如 DSP、模/数、数/模的技术发展情况。 为了达到最大的灵活性,人们希望在天线输入/输出端和终端模拟输入/输出接口 进行模/数变换(ADC)和数/模变换(DAC),由DSP完成其间所有的处理任务,只要更 改下载软件就可以满足用户需要。由于多方面原因的限制,目前软件无线电技术采用中 频数字化较为有利。 目前先进的可编程DSP大约可提供数百到上千MIPS的运算速度。实时软件无线电系 统基带以下部分完全可由DSP实现,但目前的DSP仍然不能直接进行通用中频数字信号处 理,所以一般考虑把中频下载到专用的数字硬件上,使处理负载减少到软件可以实时处 理的水平。 在实际应用中,由于可用DSP芯片的限制,以及保证系统工作稳定性所造成的冗余 度,在目前使用软件无线电技术的基站系统中,往往采用多处理器的硬件结构。 值得注意的是,最近推出了片内集成多个处理器的新型DSP芯片,其结构是将一个 通用的 CPU核与一个或多个专用的DSP并行单元集成在同一芯片上。例如 TI公司的TMS 320C80集成了1个RISC核与4片C40,Motoerola公司即将推出的矢量通信处理器中包含了 一个 Power PC的 RISC核和高性能的矢量处理单元阵列。这种高集成度使并行算法的效 率大大提高,从而可以有效地利用信号处理带宽,达到以往需要多处理手段或专门功能 的ASIC芯片才能实现的各项功能。此外,这种结构的DSP芯片完全可编程,当相关的通 信标准更新引起软件算法改变时,无需重新设计,也不用更换ASIC芯片。应该说这种DSP 处理器性能的突破,使我们向软件无线电迈进了关键的一步。 3 结束语 目前,我国的移动通信市场已突破2000万用户,据保守预测,本世纪末可达到4000 万户,因此对振兴我国的民族通信产业具有巨大的经济和社会效益。 去年我国的移动通信制造业已出现重大转折,不仅可以供应国内市场,而且还可出 口,但与国际大牌公司相比,还有很大差距。因此国内不少专家呼吁,应大力发展第三 代移动通信,建立我国的移动通信产业,而这在很大程度上取决于第三代移动通信芯片 解决方案的实现。 目前第三代移动通信(3G)标准还未最后定出,因此市面上没有3G芯片供应,但国 际上许多半导体供应商已不断推出各种功能强大的专用芯片。相信未来3G市场的前景广 阔,无论是增长速度,还是市场规模,都将盛况空前,所以移动通信市场真正的腾飞还 在后头。