桥架构：变革双模4G蜂窝调制解调器软件狗设计

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在不断推动让消费者随时随地保持互联互通的大潮中，蜂窝网络是价值不可估量的实现手段。起初仅限移动电话使用的3G和4G连接，现在已经广泛应用于便携式电脑。起初仅面向商务人员移动办公小众市场的笔记本移动连接，在大学生用户和喝拿铁咖啡的新一代上班族的推动下，正在经历爆炸性的增长。
　　运营商不同，实现笔记本电脑蜂窝连接的设备也各不相同，如移动宽带设备和笔记本连接卡等。在本文中，我们把他们全部归类于蜂窝调制解调器软件狗 (CMD)。随着数据收入在每家运营商收入总额中的比重日益增大，CMD也日渐风靡。目前，各主要移动运营商均提供这种产品的完整系列。这些调制解调器软件狗种类繁多，从最简单的3G连接到具有更多功能的调制解调器，如具有SD扩展能力乃至双模的调制解调器等应有尽有。
　　目前市场上销售的最简单的3G调制解调器为单模GSM或者CDMA调制解调器软件狗。这类调制解调器软件狗唯一的功能是连接蜂窝网络，以满足数据需求。这些设备是专用的数据发送和接收设备，主要由RF芯片、基带调制解调器和电源管理IC构成。
　　随着调制解调器软件狗市场的升温，制造商正在努力实现产品的差异化。最简单的差异化手段是增加一个用于数据存储的SD插槽。由于该特性一般包含在调制解调器的基带处理器中，因此需要尽可能简化设计工作。不过，除了简单地添加SD卡，当今的调制解调器设计人员还希望在CMD设计中增添新的功能，特别是双模调制解调器功能。


双模调制解调器软件狗有几种可行的设计方案，分别是：
1. GSM + CDMA调制解调器
2. 3G + 4G蜂窝调制解调器
3. 蜂窝调制解调器 + WiFi
GSM + CDMA
当前的大多数移动市场同时存在着多种标准。其中，GSM和CDMA这两种主要的移动标准可以帮助运营商把用户捆绑在有限的网络上。不过这通常也会限制消费者，特别是在不同的运营商在其各自所在地能提供更好覆盖的发展中国家中尤其如此。因此，双模调制解调器软件狗将会随双模手机在这些国家中的兴起而实现同步增长。
3G + 4G 蜂窝
当前流行的另一种CMD设计是将3G和4G调制解调器集成在一起。这种设计可以同时使用尖端的4G蜂窝数据服务和更为普及的3G数据服务。随着当前大多数运营商选择WiMax或LTE作为其首选的4G实施方案，调制解调器软件狗正开始将上述技术融合到设计当中，并同时支持更为普及的3G连接。
蜂窝调制解调器 + WiFi
第三种设计选择是将蜂窝调制解调器和WiFi集成在一起的软件狗。虽然WiFi可能已经成为当下许多笔记本电脑的标准配置，但新的802.11n标准还没有集成到PC上。另外，按照运营商的规格，许多与运营商相关的上网本并没有WiFi功能。这就需要一个既能在必要的时候提供WiFi连接，同时又不影响运营商数据收入的额外设备。

鉴于对这种双模CMD的明确需求，可能有人会问为什么我们还没有看到这种产品大量上市。设计这种设备的复杂性是造成拖延上市的原因之一。例如，双模CMD必须具备下列规格：
1.可使用两种模式
2.500mA运行功耗
3.模式之间快速切换
4.USB性能
可使用两种模式
为了让双模CMD同时使用两种模式，需要将两种处理器连接至集线器或者桥器件。某些设计人员倾向于在自己的方案中使用交换机，但这已经无法提供当今客户所要求的双模规格。因此，在双模CMD中，桥和集线器是两个板载处理器之间最常用的互联芯片，而USB接口则是连接到移动PC的主要方式。
500mA 运行功耗
由于USB已成为移动PC或者当前几乎任何PC最常用的连接方式，所以调制解调器软件狗也主要使用USB这种标准。但是，调制解调器从USB端口可以获得的电流将由此受到限制。根据USB2.0标准的规定，连接到单个USB端口的设备可获得的最大电流为500mA。因此，在运行的时候，单个调制解调器软件狗最多只能从USB端口获得500mA的电流。在每个主处理器运行时的功耗都会达到400mA的情况下，上述问题就成了摆在许多调制解调器软件狗设计人员面前的一个主要问题。此外，设计人员在计算系统全力运行时的总体功耗时，还必须考虑两个处理器之间的互联和USB端口的功耗情况。如果两个调制解调器同时运行，则调制解调器自身所消耗的电流就会超过800mA，而这已经超过了USB2.0的最大供电能力。不过，许多设计人员都认识到两个调制解调器同时全力运行的情况是不存在的，因此最大功耗只会出现在一个调制解调器和互联芯片在工作的时候。这也是采用桥芯片比使用集线器更具优势的地方。在一个调制解调器耗电400mA的情况下，再增加100mA以上的任何耗电都会导致设备出现故障，因此在双模CMD中不能使用集线器。而桥芯片的功耗仅为80mA ~ 100

mA，可以让系统保持在规定的电流范围内。
模式之间快速切换
尽可能快地在调制解调器之间进行切换的性能是双模调制解调器另一个重要因素。根据设计人员的要求，部分设计切换时间要求控制在微秒或毫秒之内。采用集线器的双模调制解调器，其切换速度明显低于采用桥芯片的调制解调器。这是因为集线器的作用只是一个通路，而所有的指令必须来自调制解调器所连接的PC。与此类似，来自其中任一调制解调器的所有动作都需要通过集线器传输到PC，然后回传给另一个调制解调器。在桥架构下，由于两个调制解调器之间无需把数据先发送给PC即可直接通信，所以切换时间可以尽可能缩短。即便要向PC发送数据，所有的通信也都可以同步无缝进行。这样即可最大程度地缩短两种模式之间的切换时间。
USB性能
USB性能是双模调制解调器设计中的另一项关键因素。由于USB是调制解调器和PC之间的主要互联方式，因而必须充分发挥系统的USB性能。毕竟，在调制解调器的数据传输率可以达到100Mbps的情况下，而系统的USB性能却被限制在80Mbps左右是非常令人难以接受的。
此外，还有一个重要的因素促使这些系统首选桥芯片。与集线器只是传输来自调制解调器的USB数据不同，桥芯片可以连接至调制解调器上具有更高性能的其他接口（例如存储器接口）。这样可以让调制解调器以其最大的传输能力输出数据，从而不必受限于调制解调器所集成的USB性能。
除了能够满足双模CMD的主要要求，桥架构还能为调制解调器设计带来其他优势，具体包括：
1. 独立的数据通路
2. 灵活的接口
3. 尺寸优势
独立数据通路
由于功耗方面的严格限制，这项功能对双模CMD而言非常实用。在500mA的电流限制下，让调制解调器具备在多种功耗模式间进行快速切换以保持系统平衡的功能意义非凡。独立数据通路的存在可以让通信和数据传输同步进行，而无需排序存储数据。这就能实现在不打破系统脆弱的平衡和不干扰数据流的情况下，瞬时切换模式。
灵活的接口
桥芯片还能够在设计方案中提供更为灵活的接口，让开发人员可以增添其他的SD卡或者交换机存储器接口。这种灵活性能够让设计人员随时在系统中调换功能，并同时保持将设计成果迅速推向市场。
尺寸优势
许多桥芯片是专门为移动设备而设计的。它们的尺寸相对于旨在用于计算机外设的集线器要小得多。这对USB调制解调器软件狗这样强调尺寸大小的移动设备来说是一个额外优势。CMD尺寸越小，就越便于携带。
经济高效、节能的双模调制解调器软件狗有望同时满足消费者和运营商的要求。通过采用桥架构，开发人员可以在实现更多增强和功能的同时，让软件狗满足双模CMD所需的全部规格要求。