3G时代的DSP技术应用

三 2G时代技术的瓶颈限制

其实，DSP技术在2G时代就已经开始应用。蜂窝电话的核心是一个DSP芯片。

所有第二代（2G）数字蜂窝电话都是基于双处理器体系结构的；即包含一个数字信号处理器（DSP）和一个简单指令集计算机（RISC）微控制器（MCU）。其中，DSP用来实现调制解调器和通信协议栈中物理层协议的功能；而MCU则用来支持用户操作界面，并实现通信协议栈中上层协议的各项功能。

在已有的2G手机市场中， TI公司生产的TMS320C54X系列DSP芯片占据了主导地位，65%的蜂窝电话采用了这类芯片。在时分多址（TDMA）模式手机中，DSP芯片负责实现数据流的调制解调，利用编解码实现传输误码纠正并维持通信链路的稳定性，对数据进行加密、解密以保证通信的安全性，对话音数据进行压缩和解压缩。以后的码分多址（CDMA）标准尽管会采用扩频技术并由此产生码片级数据速率，手机功能划分的方案也会发生相应的变化；但是，DSP芯片仍然会是手机的关键部件。

在CDMA模式手机中，DSP芯片负责实现符号级功能，如前向纠错、加密或语音压缩和解压缩。与此同时，DSP芯片还可以负责控制ASIC硬件；其中，后者负责对扩频信号进行调制解调及后处理。在早期的2G手机中，这些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片实现，其时钟工作频率大约为40MHz。在2.5G手机中，语音编码芯片较以前更为复杂，数据速率进一步上升，DSP芯片的时钟工作频率也随之上升到了超过100MHz。

数字技术的一大优点，就是可以支持多种数据通信业务。然而，由于受到带宽的制约，2G移动电话只能为用户提供几种相对简单的数据通信业务。在大多数数字移动通信标准中，最高的数据传输速率仅为9.6至14.4千比特每秒（Kbps）。尽管，如此低速率的数据传输能力已经可以满足最基本的数据应用的要求，如：浏览股票报价等；但是，为了实现包括互联网接入在内的高级业务，就必须提供更高速率的数据传输能力。这就是2G移动通信标准向2.5G和3G移动通信标准转变的根本动力。

四 DSP与3G技术的结合应用平台

1．软件无线电技术

在软件无线电技术中，其核心就是采用一个通用的DSP硬件平台并通过软件的方式来实现第三代移动通信的目标。目前，由于微电子技术的限制，DSP芯片的处理能力尚无法完成中频部分的处理，但是通过DDC下变频之后，则是由DSP完成整个基带部分的处理。

以下针对设计一个高灵敏度，宽边带的移动通信终端设备，将介绍一种典型的以DSP为核心的软件无线电硬件平台，其中该硬件平台具有高级路由选择特点和下一代的DSP芯片，这可以使得设计者为任何大小的基站设计能够支持任何无线通信协议的软件无线电。

（1）网络接口：

这个模块提供外部接口。该外部接口既可以是一个标准接口，例如T1/E1；也可以是用户自定义接口。

（2）处理器模块：

这个模块采用通用的DSP芯片，该芯片经过编程之后几乎能够处理各种类型的信号。这些需要在RF域和网络域的数据(语音)比特中的I和Q之间翻译表示的，处理的类型和数量是由用户自定义的，其中I和Q为正交分量。

（3）采集和综合模块：

这个模块是建立在模拟的RF域和处理器的数字基带域之间的桥梁。在接收端，该模块从RF模拟域接收一个宽边带信号，并将其通过模数转换器。数字接收机处理这个数字化的宽边带信号，从中选择单个的窄边带信道，然后将该信道的信号搬移至基带，并对其滤波和抽样。它的输出可在多信道应用中，通过多数字接收机来处理。

2．开放式多媒体应用平台（OMAP）

开放式多媒体应用平台（OMAP），是专门为支持2.5G和3G应用需求而设计的应用处理器体系结构。此平台的设计方案基于以下两个基本假设：

在2.5G和3G产品中，应用将主要面向各种媒体，为了满足其对性能和功率效率的要求，我们必须采用包含DSP和MCU在内的多处理器平台。OMAP是专为优化多媒体应用性能而设计的，它可以提升任何支持语音、音频、图像或视频信号处理的应用的性能。应用环境是动态的。因此，您可以不断地将新的应用软件下载至RISC和DSP芯片中。


上图显示了OMAP的结构框图。其中的关键组件包括，一个性能卓越、低功耗的DSP，一个通用型MCU，以及一个内存 & 流量控制器（MTC）。

其中：

（1）DSP/MCU处理

OMAP体系结构的主要优势在于，由两个独立的组件来完成应用处理任务。其中，MCU负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的应用处理；而DSP负责完成媒体处理。与单一处理器功能的结构方案相比，这种方案具有一个明显的优势，即：可以提高功率效率，并延长用户的电池寿命。首先，DSP芯片是专门为处理实时媒体信号（如：音频、语音和图像/视频信号）而设计和定制的。其次，采用两个处理器可以将总工作负荷进行合理划分，从而降低时钟工作频率，减小功率消耗，进一步降低系统成本。OMAP DSP第二个特色就是可以支持一系列半定制可编程硬件协处理器；在特定应用中，采用这种方案可以显著地提高系统性能和功率效率。

OMAP另外一个关键因素是软件基础结构，它允许在MCU上运行的应用程序启动和控制在DSP上运行的任务。因此，MCU应用程序开发人员可以利用高层多媒体应用程序接口（API）完全控制DSP MIPs。多种MCU操作系统都将支持这种软件基础结构，其中包括Microsoft公司的WinCE和Symbian公司的EPOC。

（2）内存 & 流量控制器（MTC）

MTC的主要功能就是确保处理器能够高效访问外部存储区，并避免产生瓶颈现象，从而降低片上处理速度。最终目标就是提高OMAP平台整体的"有效频率"。"有效频率"概念是由德州仪器公司提出并定义的。它是指去除超高速缓冲存储器波动/差错、外部存储区读写冲突、固有的存储区等待时间等各种因素的影响，每秒钟内真正分配给特定应用的处理器运算周期数。为了优化OMAP体系结构，我们对处理器时钟频率、超高速缓冲存储器、存储器速度和数据总线宽度等参数进行了多元分析仿真，其中包括GSM协议软件和DSP应用（如：GSM语音编码器和MPEG4视频编解码器）等基准仿真。例如，在运行GSM 2/3层协议栈中的代码时，我们对MCU超高速缓冲存储器进行了如下配置：

超高速指令缓冲存储器： 16KB，双向成组相联；16B/线；
超高速数据缓冲存储器： 8KB，双向成组相联；16B/线；

仿真结果表明，采用这种结构时，超高速指令缓冲存储器的差错概率为3.4%，而超高速数据缓冲存储器的差错概率为9%。同样，我们利用GSM语音编码器基准对DSP超高速缓冲存储器进行了类似的分析。超高速缓冲存储器尤其适用于DSP代码，因为DSP多数操作是较短的、紧密的循环操作。分析结果表明，我们应该选择如下配置：16KB DSP双向成组相联超高速指令缓冲存储器，独立8KB RAM组，每线16字节。仿真表明，采用这种结构时，DSP指令差错概率为1%。