GSM/TD-SCDMA雙模終端芯片設計方案淺析

摘要

介紹了目前TD-SCDMA/GSM雙模終端的分類，以及幾種芯片設計方案，包括多芯片方案、單芯片多DSP方案和單芯片單DSP方案的設計，分析了其技術要點，并進行了對比。

1 引言

作為中國自主知識產權的第三代移動通信標準，TD-SCDMA將大規(guī)模建網和商用。并將在較長時間內，TD-SCDMA和GSM網絡共存。因此，需要采用TD-SCDMA/GSM（以下簡稱為TD/GSM）雙模終端，為用戶帶來很大方便，同時也為運營商留住既有客戶，保護了前期投資。

2  TD-SCDMA/GSM雙模終端分類

TD/GSM雙模終端主要分為兩種：雙模單待自動切換終端和雙模雙待終端。

（1）雙模單待自動終端任何時刻只工作在TD-SCDMA或GSM中的一種模式，和對應模式的單模終端一樣收發(fā)數據；在空閑狀態(tài)下，和電路域和分組域業(yè)務進行過程中，支持自動進行兩模式間轉換。

（2）雙模雙待終端支持TD-SCDMA和GSM兩種模式共存，同時駐留在不同模式的小區(qū)上，在兩種模式下同時收發(fā)。

3  整體實現(xiàn)架構

TD/GSM雙模單待自動終端和雙模雙待終端的典型實現(xiàn)架構如圖1和圖2所示。其中，圖2所示架構既可實現(xiàn)單待又可實現(xiàn)雙待終端。基帶與CPU控制FLASH，USIM和外設，并與TD-SCDMA和GSM射頻模塊進行數據通信；外設包括鍵盤、顯示屏、揚聲器、麥克、USB等；電源管理單元（PMU）對基帶與CPU、射頻模塊和外設等進行電源管理，以降低功耗，延長電池壽命。

圖1  TD/GSM雙模單待自動終端實現(xiàn)架構

圖2  TD/GSM雙模終端實現(xiàn)架構

雙模單待終端可以使用單天線，而雙待終端則使用雙天線。目前，有的終端廠家使用雙待機的架構實現(xiàn)單待終端，雙天線、TD-SCDMA和GSM模式之間基本相互獨立；這種設計實現(xiàn)的雙模單待和雙待終端基本只有軟件上的區(qū)別。

4  雙模單待終端芯片設計

GSM和TD-SCDMA都使用時分復用技術，GSM每幀長4.615ms，分為長度相等的8個時隙。TD-SCDMA每個子幀長為5ms，分為7個普通時隙和3個特殊時隙。

終端軟件實現(xiàn)中，對幀邊界的辨認是通過芯片提供的中斷來定位的。因此，無論支持TD-SCDMA或GSM，芯片都須提供以相應幀長為周期的定時中斷。

實現(xiàn)雙模的關鍵在于，終端駐留在任一模式時，都需定期測量另一模式的鄰小區(qū)相關參數，并視需要進行小區(qū)重選和切換。終端要在兩模式間做交互、數據傳輸和同步，以及根據其中一模式的狀態(tài)，對另一模式進行控制。

4.1  多芯片/多DSP設計方案

（1）多芯片設計方案是指在不同芯片上分別實現(xiàn)GSM和TD-SCDMA�；�本上相當于兩個相對獨立的模式集成到一個終端中。

（2）單芯片多DSP設計方案使用單個芯片，但芯片中包含多個DSP，分別支持GSM和TD-SCDMA模式，兩個模式的幀中斷在不同DSP上提供，對應的軟件也是兩個相互獨立的系統(tǒng)，在各自DSP上單獨運行。

本質上，上述兩種設計是一致的，均保持了兩個模式實現(xiàn)中較強的相對獨立性。

參考文獻給出了一種多芯片實現(xiàn)方案。TD-SCDMA射頻前端設計時選用MAXIM公司的MAX2392和MAX2507芯片解決方案，GSM射頻前端設計時則選用Silicon公司的Si4212來進行設計。

從圖3單芯片多DSP設計方案可以看出，芯片包括分別支持GSM和TD-SCDMA模式的DSP。微控制器（MCU/ARM，Micro Controller Unit/Advanced RISC Machines）是芯片的主控單元，通過總線控制和調度芯片內部的多數模塊協(xié)調工作。I/O橋連接芯片與外部器件。DSP（Digital Signal Processor）是可編程的數字信號處理器。負責兩個模式DSP分別通過各自的IQ通道ADC/DAC、輔助DAC和射頻控制單元，與兩個模式的射頻分路連接。

圖3  TD/GSM雙模單待單芯片多DSP設計

GSM和TD-SCDMA定時模塊分析GSM DSP和TD-SCDMA DSP提供的幀信息，分別跟蹤兩個模式信號幀在時間上的變化，分別將兩個模式的定時信息發(fā)送給時鐘發(fā)生器。通過時鐘發(fā)生器生成GSM和TD-SCDMA定時中斷信號，分別提供給GSM和TD-SCDMA的DSP。從圖3可見，GSM和TD-SCDMA模式基本上相互獨立。

睡眠模式是芯片及芯片內部各模塊的工作模式或狀態(tài)。進入睡眠模式的模塊，其耗電和散熱都大大降低。上述這兩個方案，GSM和TD-SCDMA兩個模式是獨立進行睡眠控制的。另一方面，上述的設計思想都是兩個模式作為獨立模塊分開處理，使用不同的硬件來實現(xiàn)。這就需占用更多芯片面積，且增加了功耗。

4.2  單芯片單DSP設計方案

從圖4單芯片單DSP設計方案可以看出，芯片中只設一塊DSP，同時處理GSM和TD-SCDMA數字信號，控制兩種模式所使用的硬件加速器，令其可并行工作。從時鐘發(fā)生器引入兩個固定周期產生的中斷，分別是周期為4.615ms的GSM幀定時和周期為5ms的TD-SCDMA幀定時中斷，兩中斷產生的時間位置可獨立調節(jié)，使用同一晶振分頻產生，用統(tǒng)一的AFC（自動頻偏調整）進行跟蹤。

圖4  TD/GSM雙模單待單芯片單DSP設計

圖5示出了該設計的控制方式。GSM和TD-SCDMA中斷預處理單元分別對各自模式進行預先處理，判斷是否已設置了需屏蔽某一模式，而實現(xiàn)另一模式單模終端的功能，若如此，則屏蔽該中斷；否則將預處理結果傳遞給優(yōu)先級控制單元，這一單元根據GSM和TD-SCDMA兩模式當前狀態(tài)以及各自對DSP處理能力、存儲空間等芯片資源的需求，安排這兩個模式的執(zhí)行次序，以保證兩模式都能獲得足夠的系統(tǒng)資源，并分別輸出控制信息至GSM處理單元和TD-SCDMA處理單元。

圖5  TD/GSM雙模單待單芯片的控制方式

圖6示出了該設計的睡眠模式雙重確認方式。定時檢查單元可位于DSP或者微控制器中，調度程序以定時啟動檢查。

圖6  TD/GSM雙模單待單芯片的睡眠控制

芯片執(zhí)行睡眠模式之前，需經過TD-SCDMA和GSM模式睡眠狀態(tài)判斷、DSP睡眠狀態(tài)判斷和微控制器睡眠狀態(tài)判斷，也就是，當所有單元均進入了睡眠狀態(tài)后，則整個芯片進入睡眠。

4.3  多芯片/多DSP與單DSP方案對比

三種芯片方案各有優(yōu)缺點：

（1）多芯片/多DSP方案的基帶芯片設計思想相對簡單，用雙模雙待的設計思想實現(xiàn)雙模單待和雙待終端；設計上，保持了各模式較大的獨立性，提高了兩種模式間共享硬件資源、集約調控各單元睡眠狀態(tài)的復雜度。因此，這類方案需要的硬件資源略高、芯片較大，使耗電和硬件成本有所提高。因此，更適用于實現(xiàn)雙模雙待終端。

（2）單DSP方案用雙模單待的設計思想實現(xiàn)雙模單待和雙待終端；對兩種模式處理更加集約化，能夠在兩種模式間更有效地調度硬件資源，更合理和高效地進行睡眠控制，實現(xiàn)更小的芯片面積、更低的耗電和硬件成本；有更廣闊的市場潛力。

5  結束語

綜上所述，可總結為：

（1）D-SCDMA/GSM雙模終端包括雙模單待自動終端和雙模雙待終端。

（2）雙模單待自動終端，目前的芯片設計方案有多芯片方案，單芯片多DSP方案和單芯片單DSP方案等多種設計實現(xiàn)方式。

（3）各種設計方案各有優(yōu)缺點，但單DSP芯片的設計，能夠提供更低耗電和成本的終端，有更廣闊的市場潛力。