如何应对Edge技术带给无线手机平台的设计挑战

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随着全球广泛覆盖、稳固的基础架构演进以及各种手机对Edge功能的支持，Edge技术正日趋成熟。据3G美国贸易集团统计，全球有120多个国家230多家运营商在他们的GSM网络中不同程度地部署了Edge技术，其中90多个国家160个运营商正在提供商用服务。低成本的基础架构升级以及一些主要的中到高端手机中Edge功能的实现，为Edge部署提供了诱人的性价比优势。
        Edge技术给无线链路带来的关键革新包括引入较高级调制方式(8PSK)，多代码调制方案MCS1-9(允许系统根据工作条件作调整)，以及通过组合不同传输数据提供链路增益的增量冗余特性等。因此Edge能够提高数据速率，理论峰值速率可达473.6kbps，并且能有效扩展数据容量，其平均增益超过GPRS三倍。此外，Edge极大地改善了无线性能。它支持与通用移动电信系统(UMTS)相同的服务质量(QoS)架构，能够通过3GPP版本提供更好的服务。
        Edge除了能显著改善现有GSM/GPRS网络性能，还能与其它无线接入技术(如UMTS和3GPP LTE)共存。导致Edge成功的另外一个重要因素是无线数据服务的引入。Edge提供的更高数据速率满足了用户对无线email和音乐/视频等内容下载的要求，可进一步扩展到互联网协议多媒体子系统(IPMS)和企业级应用。
        Edge技术还将进一步演进，有关标准组织已经开展了这方面的工作，并准备通过Geran(GSM/Edge无线接入网络)提高Edge性能。版本7中的新功能旨在提高峰值数据速率、频谱效率和容量，减少延迟，并实现数据和语音的同时传送。有许多新技术可以考虑使用，包括较高级调制方案(如16-QAM)，通过双无线信道接收以及下行链路信号的分集接收等。演进的Edge技术对运营商颇具吸引力，因为它能提供相当于3G系统的效率，而只需现有的频谱执照。
        Edge技术给无线手机平台提出了诸多挑战。一方面，新标准的复杂性对运算和存储提出了更高的要求。另一方面，商用化压力要求手机平台能以极具竞争力功耗水平，以及与成熟技术(如GSM/GPRS)相当的成本来提供更高的容量水平。应对这些挑战的方法有很多，这些方法依赖于基础技术的可用性和设计团队的创新能力。手机平台的优化需要考虑如下因素：
        先进的半导体制造工艺
        多核数字基带架构
        更高的集成度，包括在单芯片上集成内核/存储器，以及集成混合信号和射频
        多芯片封装技术
        利用软件优化技术降低功耗
        利用软件可配置平台实现灵活的手机设计
        无线手机的多核架构从20世纪90年代末期就已经成熟，并已从语音为中心的GSM过渡到面向数据的GPRS平台。不过为了满足Edge数据接收器设计中日益复杂的算法，芯片组解决方案必须引入新的功能以满足信号运算与处理部分的要求。

图(a)：多核平台顶层框图; (b)：Edge手机芯片组划分

        Edge为“低于100MHz的”处理器提供了明确的分界线，这些处理器已经无法满足物理层的要求，因而需要特殊的硬件加速器或协处理器。
        根据软硬件划分，部分或全部运算任务可以卸载给硬件模块完成，一般在软件中保留关键参数的运算和预滤波。此外，数据接收器的关键性能数字是接收器设计中同步能力以及干扰抑制滤波技术的函数。
        随着蜂窝基带处理器中所使用的DSP处理器速率超过200MHz，Edge数据接收器可以完全采用软件来实现，从而能灵活地适应标准变化，并可针对现场测试案例和运营商验证情况进行调整。数据接收器采用低功率内核设计实现，可使整个系统功率等同于甚至优于GPRS数字基带芯片组，且保持高度灵活性。
        软件Edge实现优于手机硬件设计，除了能够保持一贯的稳定性外，在多供应商基础设施上使用的验证和互操作性测试过程方面也进一步优化了性能。这种极具性价比和高功效的解决方案可以满足严格的无线手机要求。另外，随着标准的发展，下一代软件平台将允许添加各种性能增强技术，范围从增强型Edge的专有算法到单天线干扰抵消或Edge演进要素等先进处理技术。
        一些高端应用对手机功能提出越来越高的要求，包括从音频到视频以及基于图像的业务。在这些领域，性能取决于MCU内核资源：通常基于ARM7内核的解决方案是具有高度优化的通信平台，适合数据卡和入门级手机，但要求对多媒体功能要有硬件支持，采用专用的DSP内核或硬件加速支持音频/视频。
        下一代多媒体功能将由功能更强大的ARM9内核和增强型DSP内核共同实现。
        图1所示为一个典型多核解决方案，含有一个DSP子系统，该子系统由DSP内核、L1代码和数据存储器(可配置为高速缓存或SRAM)、统一的L2存储器和一系列DSP外设组成。DSP子系统用于处理信道均衡、数据接收器和语音编/解码功能。如果在处理完这些任务后还有“多余”的Mips能力，DSP子系统还能执行一些多媒体功能，而且功耗通常比MCU低，因为针对这种操作DSP有更好的指令集。
        MCU子系统由微控制器内核和高速缓存组成。源自高级RISC机的ARM内核几乎通用于MCU模块。专用总线子系统支持连接显示器和图像捕获设备的多媒体接口。该子系统包括一个并行外设接口控制器，支持多比特照相传感器或视频输入接口，以及用于并行液晶显示器的专用外部总线接口，从而消除了噪声和外部主要存储器接口的加载过程。多媒体接口器件的数据移动要求可以通过多通道直接存储器存取控制器(DMAC)实现，该控制器支持各种必要的视频格式。
        Edge手机的典型功能划分如图2所示。芯片组包括射频发送/接收部分、带混合信号和电源管理模块的模拟基带以及数字基带。一个完整的手机设计包括芯片组、存储器模块、应用模块(照相机、显示器等)和蓝牙、安全数字或多媒体卡(MMC)等外设。
        上述方案基于一种被验证的且稳定的平台划分方法，采用目前的工艺和封装技术实现性价比极高。同时，该平台的功耗无论是在工作还是待机状态都极具竞争力，这是通过集成电源管理和数字基带上的架构选择来实现的。
        这种架构方法允许使用系统级封装或系统级芯片技术无缝移植到更高层集成环境，而这是转向下一代半导体工艺节点(65nm)所不可避免的。
        除了提供Edge解决方案外，该平台的可升级性还可将架构扩展到多模式操作。例如，所推荐的平台很容易扩展到TD-SCDMA标准，它还能针对各种使用要求达到必要的速度；提供灵活的功耗；高效处理控制代码；支持编译器优化以提高代码质量。此外，该平台直接受益于数年来在GSM、GPRS和Edge的性能/成本改进和功耗降低方面的投资，包括使用动态电压调整使功耗与处理器性能相匹配，使用直接转换接收器和Σ-Δ数据转换器等先进射频和混合信号技术。
        采用上述Edge平台解决方案设计的TD-SCDMA方案在性能方面已经成为近年来现场试验中的佼佼者。该平台的可升级性可帮助手机开发人员开发出更具竞争力的产品。
        作者：Zoran Zvonar
        系统技术部经理
        美国模拟器件公司