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，大规模集成威廉希尔官方网站 的威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的频率和增益的控制；

　　● 对上下行链路信号的处理，调制解调威廉希尔官方网站 （或者算法），接收均衡与解码威廉希尔官方网站 （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威廉希尔官方网站 逻辑实现，高层协议则由一个可编程的内核威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，增加新的威廉希尔官方网站 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，但主要缺陷是逻辑威廉希尔官方网站 的面积也较大，从而导致芯片成本较高。