DSP在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

DSP在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
    摘要隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）的迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。第三代移動(dòng)通
信已成為當(dāng)前移動(dòng)通信發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，其基本要求是研制開(kāi)發(fā)出體積小。重量輕、價(jià)格低
的移動(dòng)通信設(shè)備。本文主要介紹DSP在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。
    關(guān)鍵詞數(shù)字信號(hào)處理第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)
    隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大，在許多應(yīng)用中，
利用該技術(shù)可以在一塊芯片上建立整個(gè)系統(tǒng)。從前，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同的功能需要有不同的
芯片，而現(xiàn)在只要用一片DSP芯片，就可完成各種不同的任務(wù)。雖然目前在執(zhí)行單項(xiàng)功能時(shí)，
固定功能設(shè)備的效率更高，但當(dāng)逐步增添設(shè)備功能時(shí)，通用DSP設(shè)備會(huì)顯示出巨大的優(yōu)越性。
軟件升級(jí)可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活，只要升級(jí)下載程序，無(wú)需重構(gòu)電路，就可實(shí)現(xiàn)新的功能。
由于卓越的靈活性和通用性，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)正作為長(zhǎng)期服務(wù)手段不斷發(fā)展，并為新一代
技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的建立鋪平道路。
    近年來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展迅猛，自力年代末期模擬蜂窩系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，不到二十年時(shí)間，已
經(jīng)發(fā)展到以數(shù)字化技術(shù)為特征的第二代移動(dòng)通信。進(jìn)入90年代以后，世界各國(guó)已著手探尋第
三代移動(dòng)通信（即未來(lái)個(gè)人通信）的實(shí)現(xiàn)路徑。
    第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)主要目標(biāo)：（1）實(shí)現(xiàn)多媒體、寬帶化、智能化和高質(zhì)量的
全球通信；（2）規(guī)范尋呼、無(wú)繩、蜂窩和低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的多種標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一“空中接口”。
IMT 2000將寬帶 CDMA視為優(yōu)先考慮的方案，但在頻分模式的選擇上，歐洲建議從GSM過(guò)渡，
北美建議向CDMA發(fā)展，日本則力求與歐洲靠近。
    對(duì)于移動(dòng)通信設(shè)備來(lái)說(shuō)，要統(tǒng)一“空中接口”，主要的挑戰(zhàn)來(lái)自：研制高性能芯片及其
制造技術(shù)；提高射頻集成電路的集成度、開(kāi)發(fā)單片微波集成電路（MMIC）和超級(jí)芯片（MBIC
）；研究軟件無(wú)線電技術(shù)等。
    在未來(lái)十年，移動(dòng)通信設(shè)備仍將是數(shù)字信號(hào)處理器的最大用戶。據(jù)ABI保守預(yù)測(cè)，到200
3年，僅基站一項(xiàng)，就需要用500萬(wàn)片數(shù)字信號(hào)處理器。
1 DSP產(chǎn)品的主要特點(diǎn)
   （1）速度快
    為了適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的需要，目前的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）都設(shè)置了硬件乘法／累
加器，大都能在單個(gè)指?jìng)�(gè)周期內(nèi)完成乘／累加運(yùn)算。目前DSP的運(yùn)算速率已達(dá)每秒千萬(wàn)次乃
至數(shù)十億次定點(diǎn)運(yùn)算或浮點(diǎn)運(yùn)算。
    為了滿足快速傅里葉變換。卷積等數(shù)字信號(hào)處理的特殊要求，目前的DSP大多在指令系
統(tǒng)中設(shè)置了“循環(huán)尋址”、“位倒序”指令和其他特殊指令，以致尋址、排序和計(jì)算速度
大大提高。
    高速數(shù)據(jù)傳輸能力是DSP作高速實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵之一。新型的DSP大多設(shè)置了單獨(dú)的DMA
總線及其控制器，在不影響或基本不影響DSP處理速度的情況下，作并行數(shù)據(jù)傳送，傳送速
率可達(dá)數(shù)百字節(jié)，主要受片外存貯器速度的限制。
   （2）在結(jié)構(gòu)上提高并行性
    隨著應(yīng)用的日益廣泛，DSP已成為許多高級(jí)設(shè)計(jì)不可缺少的組成部分，因此DSP廠商的
投資主要集中于DSP體系結(jié)構(gòu)、智能化程度更高的編譯程序、更好的查鋁工具和更多的支持
軟件。
    最明顯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)在于提高“并行性”，即在同一個(gè)指令周期內(nèi)，DSP能完成多項(xiàng)操
作。新型DSP的發(fā)展方向，是在提高單片DSP性能的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上十分注重為多處理
器的應(yīng)用提供方便。
   （3）設(shè)置仿真模塊或仿真調(diào)試接口
    DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)往往需要相當(dāng)規(guī)模的仿真調(diào)試系統(tǒng)，包括在線仿真器、電纜、
邏輯分析儀以及其它測(cè)試設(shè)備。在多處理器系統(tǒng)中，這個(gè)問(wèn)題尤為突出。為了方便用戶的
設(shè)計(jì)和調(diào)試，許多DSP片上均設(shè)置了仿真模塊和仿真調(diào)試接口。
   （4）低功耗
    DSP處理速度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，但隨之而付出的代價(jià)是功耗越來(lái)越大。因此
低工作電壓和低功耗已成為DSP性能表征的重要技術(shù)指標(biāo)之一。
   （5）高集成度
    隨著專用集成電路的廣泛應(yīng)用，迫切要求將DSP的功能集成到專用集成電路（A－SIC）
中。為了順應(yīng)這種發(fā)展，并更進(jìn)一步開(kāi)拓DSP市場(chǎng)，各DSP生產(chǎn)廠家相繼提出了DSP核的概
念，并推出相應(yīng)產(chǎn)品。一般情況下，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配以按照客戶
需要所選擇的存貯器和外設(shè)，組成用戶的ASIC。DSP核概念的提出與技術(shù)的發(fā)展，使用戶
能通過(guò)DSP廠家的專業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，從而提高ASIC的水準(zhǔn)，大大縮短產(chǎn)品的上
市時(shí)間。
   （6）不斷完善開(kāi)發(fā)環(huán)境和支持軟件
    隨著專用集成電路（ASIC）技術(shù)的發(fā)展和DSP應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)大，一些EDA公司也
將 DSP的硬件和軟件開(kāi)發(fā)納入 EDAI作站的工作范疇，陸續(xù)推出了一些大型軟件包，為用
戶自行設(shè)計(jì)所需的DSP芯片和軟件提供更好的環(huán)境。
2 DSP在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
   （1）高性能DSP
    第三代移動(dòng)通信要求DSP的運(yùn)算速度至少達(dá)到300MIPS，才能實(shí)現(xiàn)各種繁雜的算法、
解壓縮和編譯碼。目前，DSP在功能上趨向?qū)崿F(xiàn)多個(gè)MAC和多個(gè)寄存器，更寬的程序總線
和數(shù)據(jù)總線；在結(jié)構(gòu)上趨向采用單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）、多指令多數(shù)據(jù)（MIMD）和超長(zhǎng)
指令（VLIW）。TMS320C67X是第六代VIIW結(jié)構(gòu)的DSP產(chǎn)品，浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)IGFLOPS。TI
公司計(jì)劃在2000年，將C67X系列的浮點(diǎn)運(yùn)算速度提升到3GFLOPS，屆時(shí)用一片C67X，就可
完成10片普通DSP的工作，而其單價(jià)與市面上普通浮點(diǎn)DSP的價(jià)格相當(dāng)。C67X功能之強(qiáng)大，
足以為下一代個(gè)人通信提供高速、精確、多功能和多信道的解決方案。
    過(guò)去，DSP一般采用高級(jí)C語(yǔ)言。為了適應(yīng)將來(lái)無(wú)線訪問(wèn)Internet網(wǎng)絡(luò)和多媒體業(yè)務(wù)
的需要，1997年10月，TI從Sun公司得到授權(quán)，獲準(zhǔn)將Personal Java語(yǔ)言嵌入到DSP中。
Personal Java是一種適合個(gè)人網(wǎng)絡(luò)連接和應(yīng)用的Java環(huán)境，基于該環(huán)境的個(gè)人通信系統(tǒng)，
可以從網(wǎng)絡(luò)和Internet上下載數(shù)據(jù)和圖像。另外，TI還研究開(kāi)發(fā)符合MPEG－4（待定）無(wú)
線解壓縮標(biāo)準(zhǔn)的DSP。
    為了研究開(kāi)發(fā)適合下一代無(wú)線寬帶應(yīng)用的高性能DSP核，Motorola和Iucent于1998年
6月簽署了DSP聯(lián)盟協(xié)議，雙方將合作在亞特蘭大設(shè)立一個(gè)稱為StarC0re的設(shè)計(jì)中心，同
時(shí)就現(xiàn)有DSP技術(shù)進(jìn)行交互授權(quán)。StarCore設(shè)計(jì)中心將于 1999年完成第一個(gè)DSP核設(shè)計(jì)，
并逐步把 Motorola的 M.Core微處理器技術(shù)過(guò)渡到下一代高速DSIP核中。到2003年，真
正實(shí)現(xiàn)低功耗、多信道和實(shí)時(shí)嵌入控制。Motorola最近將16位DSP56600數(shù)字信號(hào)處理器
和32位M.Core微處理器集成為單片型 DSP 56652，開(kāi)創(chuàng)了雙核DSP之先河，該芯片的工
作電壓僅為1.8V，可滿足TDMA基帶信號(hào)處理的需要，同時(shí)該芯片又是為Motorola下一代
Nextel移動(dòng)電話而設(shè)計(jì)的。
    個(gè)人移動(dòng)電話（無(wú)論是GSM還是CDMA）和下一代個(gè)人通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)的硬件都是由基
帶單元和射頻單元兩大部分組成。目前無(wú)線通信的基帶單元已從通用DSP加CPU發(fā)展到以
DSP和CPU為核，建立專用基帶芯片組。自1996年基帶芯片專用化以來(lái)，到1998年，基帶
芯片組的數(shù)目已從3塊變?yōu)?塊。
   （2） 提高射頻集成電路的集成度
    射頻集成電路的集成有兩個(gè)方向：（1）縱向發(fā)展，將接收機(jī)從接收混額直到零中
頻的電路盡可能設(shè)計(jì)在一塊芯片上；（2）橫向發(fā)展，將收發(fā)信機(jī)中相近頻率范圍的電
路全部集成到一個(gè)模塊上。在射頻單元信號(hào)處理方面，還有一個(gè)新動(dòng)向是向DSP技術(shù)轉(zhuǎn)
移。DSP作為關(guān)鍵器件，將不斷融合射頻信號(hào)處理，特別是I／Q解調(diào)和調(diào)制、信道濾波
等。
    DSP的控制領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越接近射頻前端，最終將其集成在內(nèi)。Lucent計(jì)劃在1999年，
將模擬 Uhura DSP與數(shù)字 Speck DSP集成在一片稱為 Kirk的 DSP中，到 2000年，再
將射頻前端集成到Kirk中，最終制成一塊BROG超級(jí)芯片（MBIC）。
   （3）軟件無(wú)線電技術(shù)
    對(duì)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，爭(zhēng)論最多的還是無(wú)線傳輸體制問(wèn)題。目前具有代表性傳
輸體制的系統(tǒng)主要有三個(gè)：（1）以歐洲為代表的基于GSM系統(tǒng)的TDMA系統(tǒng)，（2）以北
美為代表的基于窄帶IS-95的CDMA系統(tǒng)，（3）以日本為代表的寬帶 CDMA系統(tǒng)。根據(jù)目
前的發(fā)展，由于受利益驅(qū)使和應(yīng)用場(chǎng)合的限制，全世界的無(wú)線移動(dòng)個(gè)人通信不可能統(tǒng)一
到一種體制上。在不同場(chǎng)合，不同體制有其固有的優(yōu)越性，其它體制無(wú)法代替，因此不
同體制的互聯(lián)性已成為一個(gè)重要討論課題，多種體制并存是未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的必然趨
勢(shì)。
    軟件無(wú)線電通過(guò)對(duì)模擬和數(shù)字硬件功能的軟件化，達(dá)到提高業(yè)務(wù)質(zhì)量和信道接入靈
活性的目標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)的兼容性、技術(shù)接人和經(jīng)濟(jì)性之間，軟件無(wú)線電能夠很好地折衷，
是實(shí)現(xiàn)不同多址接入方式兼容的最佳方案。通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)對(duì)多種體制進(jìn)行綜合，
開(kāi)發(fā)出新一代的多模移動(dòng)通信手機(jī)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)在手漫游天下的設(shè)想，已成為第三代移動(dòng)
通信的發(fā)展方向。
    軟件無(wú)線電利用DSP的強(qiáng)大處理能力和軟件的靈活性，實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的兼容，
進(jìn)行信道分離、解調(diào)和信道編譯碼等。例如在同一硬件上，可以用不同的軟件處理數(shù)字
壓縮的話音（如 GSM）或模擬調(diào)頻話音（如AMPS）。軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用取決
于高速集成電路，如 DSP、模／數(shù)、數(shù)／模的技術(shù)發(fā)展情況。
    為了達(dá)到最大的靈活性，人們希望在天線輸入／輸出端和終端模擬輸入／輸出接口
進(jìn)行模／數(shù)變換（ADC）和數(shù)／模變換（DAC)，由DSP完成其間所有的處理任務(wù)，只要更
改下載軟件就可以滿足用戶需要。由于多方面原因的限制，目前軟件無(wú)線電技術(shù)采用中
頻數(shù)字化較為有利。
    目前先進(jìn)的可編程DSP大約可提供數(shù)百到上千MIPS的運(yùn)算速度。實(shí)時(shí)軟件無(wú)線電系
統(tǒng)基帶以下部分完全可由DSP實(shí)現(xiàn)，但目前的DSP仍然不能直接進(jìn)行通用中頻數(shù)字信號(hào)處
理，所以一般考慮把中頻下載到專用的數(shù)字硬件上，使處理負(fù)載減少到軟件可以實(shí)時(shí)處
理的水平。
    在實(shí)際應(yīng)用中，由于可用DSP芯片的限制，以及保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性所造成的冗余
度，在目前使用軟件無(wú)線電技術(shù)的基站系統(tǒng)中，往往采用多處理器的硬件結(jié)構(gòu)。
    值得注意的是，最近推出了片內(nèi)集成多個(gè)處理器的新型DSP芯片，其結(jié)構(gòu)是將一個(gè)
通用的  CPU核與一個(gè)或多個(gè)專用的DSP并行單元集成在同一芯片上。例如 TI公司的TMS
320C80集成了1個(gè)RISC核與4片C40，Motoerola公司即將推出的矢量通信處理器中包含了
一個(gè) Power PC的 RISC核和高性能的矢量處理單元陣列。這種高集成度使并行算法的效
率大大提高，從而可以有效地利用信號(hào)處理帶寬，達(dá)到以往需要多處理手段或?qū)ｉT(mén)功能
的ASIC芯片才能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。此外，這種結(jié)構(gòu)的DSP芯片完全可編程，當(dāng)相關(guān)的通
信標(biāo)準(zhǔn)更新引起軟件算法改變時(shí)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)，也不用更換ASIC芯片。應(yīng)該說(shuō)這種DSP
處理器性能的突破，使我們向軟件無(wú)線電邁進(jìn)了關(guān)鍵的一步。
3 結(jié)束語(yǔ)
    目前，我國(guó)的移動(dòng)通信市場(chǎng)已突破2000萬(wàn)用戶，據(jù)保守預(yù)測(cè)，本世紀(jì)末可達(dá)到4000
萬(wàn)戶，因此對(duì)振興我國(guó)的民族通信產(chǎn)業(yè)具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
    去年我國(guó)的移動(dòng)通信制造業(yè)已出現(xiàn)重大轉(zhuǎn)折，不僅可以供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而且還可出
口，但與國(guó)際大牌公司相比，還有很大差距。因此國(guó)內(nèi)不少專家呼吁，應(yīng)大力發(fā)展第三
代移動(dòng)通信，建立我國(guó)的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)，而這在很大程度上取決于第三代移動(dòng)通信芯片
解決方案的實(shí)現(xiàn)。
    目前第三代移動(dòng)通信（3G）標(biāo)準(zhǔn)還未最后定出，因此市面上沒(méi)有3G芯片供應(yīng)，但國(guó)
際上許多半導(dǎo)體供應(yīng)商已不斷推出各種功能強(qiáng)大的專用芯片。相信未來(lái)3G市場(chǎng)的前景廣
闊，無(wú)論是增長(zhǎng)速度，還是市場(chǎng)規(guī)模，都將盛況空前，所以移動(dòng)通信市場(chǎng)真正的騰飛還
在后頭。