工作模式下TD-SCDMA多媒体终端省电的研究

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摘要　省电技术是移动终端设计的一项关键技术，目前的研究多数是针对待机模式下的省电技术。本文结合TD-SCDMA系统及终端的技术特点，深入研究并实现了TD-SCDMA多媒体终端在工作模式下的省电关键技术，这对于推动TD-SCDMA产业的发展有着重大的技术意义和现实意义。
1、前言
移动终端的通话时间和待机时间一直是业界关注的焦点问题之一。3G终端除支持类似2G终端的基本的语音、短信业务以外，还支持高速数据下载和视频电话等丰富的多媒体应用，为此增添了复杂的物理层数字信号处理和高层协议栈软件处理，大大增加了终端省电处理难度，也对3G终端的省电性能提出了更高的要求。
目前，业界对于TD-SCDMA终端省电的研究集中在待机模式下，即通过周期性的睡眠-唤醒来达到在待机模式下省电的目的，而对于在正常工作模式下的省电研究甚少。正是基于这种情况，本文结合TD-SCDMA系统及终端的技术特性，深入研究并实现了TD-SCDMA多媒体终端在工作模式下的省电关键技术，这对于推动TD-SCDMA产业的发展有着重大的技术意义和现实意义。
2、TD-SCDMA多媒体终端的总体结构
TD-SCDMA的重要特点之一是可以提供高达384 kbit/s的数据传输速率，远高于GSM的数据传输速率，这种数据速率不仅可以支持普通语音，还可支持多媒体业务，这也被喻为3G的“杀手级”应用。可支持300万像素摄像头及视频电话的TD-SCDMA多媒体终端的总体结构如图1所示，其中clk26M与clk32k是系统所用的两个外部时钟。


图1　TD-SCDMA多媒体终端的总体结构
该终端基于Philips的Dragonfly移动终端设计平台，其中基带采用ARM9作为处理器，主要负责协议栈和各种应用程序的处理及整个终端的管理；Modem IC负责TD-SCDMA物理层的相关处理；Abb是模拟基带和数字基带的接口，完成信号的模数转换和数模转换功能；RF发射方案采用MAXIM的 MAX2507（该芯片已集成了PA），接收方案采用MAXIM的MAX2392；多媒体协处理器作为视频、图像处理的专用硬件加速器，是视频终端区别于普通终端的主要硬件设备；LCD为65 kHz真彩高像素双屏以支持优秀的视频效果；摄像头分辨率高达300万像素。整个系统所用的外部时钟为VCXO产生的26 MHz系统参考时钟（clk26M）和由电源管理单元（PMU）产生的32 kHz低速时钟（clk32k）。
TD-SCDMA终端的功耗受到无线环境、网络配置[1]、协议栈控制以及终端软硬件方案、电源管理、芯片本身的低功耗设计及其工艺特性等诸多因素的影响[2]，其中起决定性作用的是终端本身的省电技术。
3、TD-SCDMA多媒体终端的电源管理方案
基于不同系统具体耗电特性的合理电源分配、电源转换芯片效率的提高以及对各个电源简单而有效的控制是省电技术中具有立杆见影效果的重要手段。
3G终端中常用的LDO（低压差线性稳压器）具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的优点，缺点是低效率。而DC/DC转换器可提供高达95%的效率，但占用PCb（电路板）面积大，输出电压的纹波也较大，且电磁干扰（EMI）问题比较突出。采用集成了移动终端所需要的几乎所有电源的参数测量单元（PMU）是移动终端设计的必然要求。
结合TD-SCDMA终端中各芯片的具体特性，以在不同状态下对各路电源的方便控制为原则，相应的电源管理方案设计如下：采用PMU中集成的500 mA的DC/DC输出1.8 V电压给Modem IC和基带处理器的内核供电以充分利用DC/DC的高效率，对存储器采用PMU中的一路LDO输出1.8 V电压对其单独供电；对射频收发信机分别用PMU中的两路具有极低噪声和极高电源纹波抑制比（PSRR）的LDO输出2.8 V电压对其单独供电；对LCD及键盘背光采用PMU中的升压型DC/DC输出5V电压至发光二极管阳极，PMU的一路有高电流驱动能力的LDO输出2.6 V电压给音频处理部分供电，再利用PMU中的另外两路LDO输出1.8 V和3.0 V电压分别给各芯片的高、低电平端口供电，对于多媒体协处理所需要的1.5 V和2.8 V两个特殊电压，采用一个双路DC/DC分别给其供电。所有电压的使能引脚都接到基带处理芯片（ARM）的睡眠指示信号上以简化控制机制，各电源何时需要打开/关闭取决于各自的寄存器配置情况和该指示信号，因而可以根据实际使用情况通过编程来方便地动态控制不同时刻各路电源的开关。
4、TD-SCDMA多媒体终端的省电设计
4.1　TD-SCDMA终端射频收发信机的动态功耗管理
射频收发信机是TD-SCDMA终端中第一大耗电单元。对射频收发信机进行有效的动态管理不仅可以提高杂散度、灵敏度、邻道泄漏等射频指标，而且从节省终端功耗的角度出发可以充分利用TD-SCDMA系统独特的TDD模式达到省电的目的。
WCDMA工作在FDD模式下，在该系统中，时间-频率平面被分割成M个离散的频率段，在频率轴上相邻分布，用户始终占用频率通道中某一频段并以100%的占空比传递信号能量。TD-SCDMA工作在TDD模式下，在该系统中，用户仅用部分时隙以较小的占空比传递信号能量。由于CDMA系统是一个自干扰受限系统，其系统容量主要取决于来自同系统内其他用户的多址干扰，因而以突发方式发射信号的TDD系统的平均发射功率必然明显小于FDD系统。在理想情况下，若UE仅用TD-SCDMA帧结构中7个时隙中的一个时隙发射信号[2]，即在发射相同信号功率（比如24 dbm）时TDD系统的平均发射功率是FDD系统的1/7，比FDD模式下少8 db。
在图2中，TD-SCDMA的每一子帧（包含7个业务时隙3个特殊时隙）长度为5 ms，TX_ON为发射机打开的控制信号，RX_ON为接收机打开的控制信号。从图中可以看到，TDD系统仅在射频单元需要接收和发射有用信号的时隙打开相应的电路，在空闲时隙则关闭相应的射频电路，从而大大减小了射频单元的平均功耗。


图2　TD-SCDMA系统控制信号的时序
4.2　时钟门控技术
TD-SCDMA终端必须完成信道估计、卷积、矩阵相乘、Cholesky分解、下行同步、Turbo编解码、突发生成等信号处理流程，而这些流程多数是由相应的功能模块来完成的。根据TD-SCDMA终端在工作状态下的具体工作流程，合理地划分相应的功能模块和分配软硬件的工作，使各模块的功能相对独立，减小软硬件之间复制搬移数据的次数。然后利用时钟门控技术关闭不需要工作和某段时间不需要工作的电路单元，可大大减小终端的平均功耗。同样，在DSP完成相应的任务后终端立即进入睡眠模式，需要工作的时候重新唤醒，这样也可达到进一步省电的目的。
4.3　基带处理器和Modem IC的动态功耗管理
数字基带处理器是TD-SCDMA终端中第二大耗电单元。要减小CMOS芯片的功耗，降低时钟频率或供电电压是最直接有效的方法，但降频和降压在延时和功耗上需要取一个折中。单纯的降低频率并不会减小电路的能量消耗，因为此时处理器处理同样的任务需要更长的时间。然而，仍然有办法利用降频降压的方法在当前的处理器上节省功耗，那就是动态电压频率调整技术。目前的处理器在设计时大都考虑了系统最大的性能需求，而移动终端在大部分的工作时间里并不需要这样高的性能，因此，在处理器负荷较轻的情况下，同时降低时钟频率和供电电压就可以大幅降低平均功耗，同时又可以满足系统的性能要求。
根据所采用处理器的硬件特性，并结合TD-SCDMA终端不同业务对系统性能的不同需求，把所有的业务划分成几类不同等级的典型业务。在满足该等级业务性能需求的前提下，适当降低基带处理器的运行频率和工作电压，从而大幅降低平均工作电流。TD-SCDMA终端基带处理器和Modem IC在不同典型业务下的动态功耗管理结果如表1所示。
表1　TD-SCDMA终端基带处理器和Modem IC在不同典型业务下的动态功耗管理结果

从表1可以看出，当TD-SCDMA多媒体终端在提供视频业务的时候，采用动态功耗管理将使数字基带处理芯片的功耗节省20%以上，而在提供数据处理量较小的传统语音业务时节省功耗30%以上，从而大幅延长了终端的连续工作时间。
4.4　TD-SCDMA终端功放的动态功耗管理
射频收发信机中的功放是TD-SCDMA终端中最耗电单元之一。TD-SCDMA终端的线性功放有别于2G系统中普遍采用的非线性功放。线性功放非常适用于采用非恒定包络调制方式（如QPSK）的系统，可减小失真和邻道干扰[3，4]，但其最大的缺点是效率低，通常在30%左右。如何提高功放的实际平均效率以延长终端的连续工作时间呢?
根据统计分析可知，在绝大多数情况下，TD-SCDMA终端的发射功率都远低于其最大发射功率24 dbm，90%左右的发射功率都低于16 dbm，这得益于TD-SCDMA系统精确快速的功率控制，不仅克服了“远近效应”，而且提高了系统容量。因此，结合线性功放的结构特性，区别于传统的电池直接供电方式，TD-SCDMA终端功放的一种改进控制方案如图3所示，功放的供电电压由基带处理芯片通过数模转换器（DAC）的输出来控制。不同发射功率和其对应的供电电压以满足系统ACLR（邻信道泄漏功率比）要求为原则来确定，对于TD-SCDMA系统，要求在距中心频率±1.6 MHz处的ACLR为-33 dbc（ACLR1），在距中心频率±3.2 MHz处的ACLR为-43 dbc（ACLR2）[5]。
以终端方案中采用的MAXIM 2507中的集成功放为例，其ACLR1=-38.3 dbc、ACLR2=-53.5 dbc，与标准规定的值相比，分别提供了5.3 db和10.5 db的余量。采用如图3所示方案和传统电池直接供应方案所得的测试结果如表2所示。


图3　TD-SCDMA功放的可调电压供电方式
表2　电压可调方式和电池直接供电方式的功耗对比

由此可见，电压可调方案对于TD-SCDMA终端很少使用的最大发射功率情况下的功耗节省效果并不明显，但对于其最常用的低发射功率情况，可使功放平均省电60%以上。
4.5　软件和算法的省电措施
软件和算法对于系统功耗同样有很大的影响。通过对软件代码和算法的优化，减小指令总线上的翻转概率和对存储器的访问量，也可以达到减小功耗的目的。高的代码密度不但可以降低功耗，而且可以提高性能，因为它使得完成同一功能所需的机器周期个数变得更少。
通过算法的优化缩短TD-SCDMA物理层测量的时间和小区初搜等过程的持续时间，把工作状态下最常调用的函数置入基带处理器的高速缓冲存储器中以提高MIPS（每秒指令数），把对外部存储器的读写方式由正常方式改为突发方式以提高存取效率等，这些软件优化的途径都可以达到省电的目的。在实践的过程中得出，通过上述的软件优化方法可使TD-SCDMA多媒体终端的耗电直接减小40 mA。
5、省电方案的效果测评
按照第三代移动通信技术试验专家组制定的《TD-SCDMA研究开发和产业化项目——终端耗电性能测试规范》[5]，通过测量终端连续工作时的耗电电流，然后根据终端电池的标称容量可折算出连续工作时长。采用Agilent的移动终端快速响应直流电源对本文终端在视频业务下的耗电情况进行测试，结果如图4所示。其中接收信号电平为-92 dbm。
从图4可以看出，TD-SCDMA多媒体终端在视频业务下的平均电流为195 mA，所用锂电池的标称容量为1 000 mAh，即该终端在视频业务下可连续工作5 h。


图4　TD-SCDMA多媒体终端在视频业务下的耗电测试结果
从测试结果中也可看出，由于TDD的工作方式，TD-SCDMA终端在工作模式下仅需在发射时隙打开发射通路并关闭接收通路，在接收时隙打开接收通路并关闭发射通路，而其他几个空闲时隙则完全关闭发射及接收通路，故同一子帧内最大电流和最小电流相差可达160 mA，从而大幅降低了平均功耗。
6、结语
工作模式下TD-SCDMA多媒体终端的省电技术是一个系统级的难题，必须从硬件特性和软件决策管理上双管齐下才能达到良好的效果。结合TD- SCDMA多媒体终端的具体特性和工作特点，采用本文所述的多种综合省电技术后，该终端在视频电话状态下的耗电电流从最初的400 mA降低到了目前的195 mA，功耗节省约50%，且工作稳定，较好地解决了困扰业界的TD-SCDMA终端功耗过大的难题，也为推动TD-SCDMA产业的发展尽了一份微薄之力。
参考文献
[1]　3GPP TS25.331.Radio resource control protocol specification，V5.13.0，2005
[2]　李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准.北京：人民邮电出版社，2003
[3]　Prokis J G.Digital communications，forth edition.北京：人民邮电出版社。2002
[4]　RITT.TD-SCDMA研究开发和产业化项目—终端耗电性能测试规范（V5.2），2005
[5]　3GPP TS25.945.RF requirements for 1.28Mcps UTRA TDD option，V5.1.0，2004