适用于2G/3G/4G的无线终端基带芯片

　　移动通信系统发展数十年，一直为追求更高的频谱效率而进行技术更新，从2G时代的GMSK，到3G时代的CDMA，到4G时代的OFDM。同时，大规模集成电路的设计技术与生产技术，也有了从几百纳米到几十纳米的时代变化。系统越来越大的带宽需求，意味着对终端芯片平台越来越高的处理能力要求。系统从2G 到4G的发展，无线网络本身的发展也是需要一个较长的时间与过程，且对已有的2G和3G网络的淘汰也不可能在一夜间完成，于是对终端芯片平台也提出了自适应的随网络演进而变化的需求，即多种模式自动切换的工作模式需求。本文将从几种无线通信系统对终端基带芯片的需求开始讨论，介绍一种由简约纳电子公司设计完成的适用于2G/3G/4G的软件无线终端基带芯片平台。

　　1. 现有4G终端基带芯片的状况

　　如下图1所示，4G无线通信系统基础技术是OFDM。OFDM系统信号是时频域都存在的阵列信号。时频域信号间的变换，信道估计与MIMO检测等大量阵列信号的处理，需要大量并行的矢量处理。高度并行的矢量处理器正应OFDM系统阵列信号处理需求而生。 多核多线程内核加上向量处理器是4G基带芯片架构的大势所趋。

　

　　图1:OFDM系统阵列信号处理示意图

　　从已发表的有关无线终端基带处理器的文献和资料来看，业界在可编程和矢量处理应用方面已有许多进展，有如表1所示。

　　

　　

　　表1：基带处理器中的处理能力

　　其它的还有IMEC 的ADRES，Michigan University 的ArdBerg等。

　　2. 2G/3G/4G的终端基带系统需求分析

　　终端系统需求分为两个方面，一是功能需求，一是性能需求。本章节通过抽象架构示意图说明，2G/3G/4G几个系统的功率需求；再逐步分析，不同的系统在性能上的需求。性能需求的分析，本文从系统带宽，采样率，到链路算法处理的复杂度分析入手。

　　2.1 无线通信终端基带平台的抽象架构

　

　　图2：无线通信终端基带平台的抽象架构

　　功能需求如上图2所示，所有的终端基带系统都需要完成：

　　● 跟射频信号的接口以及对射频电路的频率和增益的控制；

　　● 对上下行链路信号的处理，调制解调电路（或者算法），接收均衡与解码电路（或者算法），对增益/频率/功率的环路控制；

　　● 对通信链路的建立保持释放等高层协议功能。

　　这些功能在不同的芯片上，构建不同的系统架构时，会有不同的软硬件的分工。

　　2.2 2G/3G/4G系统的性能需求

　

　　图3:2G/3G/4G系统性能需求示意图

　　2G 是以语音通信为主的系统，3G是兼顾语音通信和数据通信的系统，4G是以高速数据通信为主体的系统。2G空中接口的带宽小于200khz，能提供几百 Kbps的数据流量；而3G带宽约2Mhz，提供几MBps数据流量；4G带宽高于20MHz，提供超过100MBps数据流量。2G和3G射频接口简单，1个接收通道，1个发射通道，基带信号的采样率2G在1MHz左右（以4倍过采样为例），3G约10MHz；4G的射频接口有MIMO的模式，2--4个接收通道，1--2个发射通道，且基带信号的采样率大于30MHz。系统的基础技术2G是GMSK调制方式和卷积码；链路处理算法简单，处理的数据量低；3G 是CDMA调制方式，卷积码加Turbo码，需要采用匹配滤波器和Turbo 解码等比较复杂的算法，但处理的数据量还比较低；4G采用OFDM技术，卷积码加Turbo码，链路处理需要采用MIMO检测和Turbo解码等比较复杂的算法，且处理数据量相对于2G和3G大幅度提高，高层协议栈也需要有较大的数据流量处理的技术。以此为系统性能需求的基础，可以分析得到物理层的运算量 2G每秒低于50MOPS的需求量，3G约每秒小于500MOPS，4G超过5000MOPS。高层协议栈处理，2G约每秒10MOPS左右，3G每秒小于100MOPS，而4G超过1000MOPS。对缓存的数据区域的需求：2G物理层低于128KBytes，高层协议栈低于256Kbytes；3G物理层小于512KBytes，高层协议栈小于5Mbytes；4G物理层超过2MBytes，高层协议栈超过20Mbytes。

　　2.3 无线通信终端基带平台的需求分析小结

　　综上所述，从2G到4G的终端基带平台有着非常相似的系统功能架构，但由于系统带宽和基础技术的革命性变化，在性能需求上有着从量变到质变的飞跃。但相类似的功能架构，引导着架构设计者追寻一种可以兼顾几个时代的终端基带平台。本文所述的方案则是这样的一个平台。

　　3. 基于定制方式的多模架构设计

　　由于4G的网络建设还需要一段时间，4G终端芯片在架构设计时，需要考虑以多模的架构兼容2G/3G的需求，以便于终端在网络中移动时可以充分的享用网络的资源。

　　在 2G时代，传统的芯片架构设计方案将其中物理层的部分采用电路逻辑实现，高层协议则由一个可编程的内核电路来运行相应的软件。3G/4G时代，传统的思路是继承前者已有的电路，增加新的电路逻辑来实现物理层的部分，然后增加可编程内核的能力或者多个可编程内核来运行高层协议。于是，形成了如图4所示的传统多模架构。

　

　　图4：传统多模基带芯片架构

　　这种的架构的好处是，开发周期相对短，2G和3G的物理层已经稳定工作，但主要缺陷是逻辑电路的面积也较大，从而导致芯片成本较高。