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详细解说移动终端基带芯片

发布时间:2019-06-10 12:56 来源:未知 编辑:admin

  基带芯片是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。具体地说,就是发射时,把音频信号编译成用来发射的基带码;接收时,把收到的基带码解译为音频信号。同时,也负责地址信息(手机号、网站地址)、文字信息(短讯文字、网站文字)、图片信息的编译。

  基带芯片可分为五个子块:CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。

  CPU处理器:对整个移动台进行控制和管理,包括定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制和人机接口控制等。若采用跳频,还应包括对跳频的控制。同时,CPU处理器完成GSM终端所有的软件功能,即GSM通信协议的layer1(物理层)、layer2(数据链路层)、layer3(网络层)、MMI(人-机接口)和应用层软件。

  信道编码器:主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等,其中信道编码包括卷积编码、FIRE码、奇偶校验码、交织、突发脉冲格式化。

  数字信号处理器:主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于规则脉冲激励-长期预测技术(RPE-LPC)的语音编码/解码。

  调制解调器:主要完成GSM系统所要求的高斯最小移频键控(GMSK)调制/解调方式。

  移动终端支持何种网络制式是由基带芯片模式所决定,而支持何种频段则由天线和射频模块所决定,基带芯片完成移动终端的接入功能,目前基带处理器是一种高度复杂系统芯片(SoC),它不仅支持几种通信标准(包括GSM、CDMA 1x、CDMA2000、WCDMA、HSPA、LTE等),而且提供多媒体功能以及用于多媒体显示器、图像传感器和音频设备相关的接口、为了进一步简化设计,这些编译电路所需要的电源管理电路也日益集成于其中。

  基带数字处理功能以及手机基本外围功能都集中到单片片上系统(SOC)中,其基本构架都采用了微处理器+数字信号处理器(DSP)的结构,且微处理器和DSP的处理能力一直在增强。

  1.微处理器是整颗芯片的控制中心,会运行一个实时嵌入式操作系统(如Nucleus PLUS)。

  2.DSP 子系统是基带处理的重点,其中包含了许多硬件加速器和基带专用处理模块,完成所有物理层功能。

  随着实时数字信号处理技术的发展,ARM微处理器(会采用不同的微系列,如3G芯片多采用ARM9)、DSP 和 FPGA 体系结构成为移动终端基带芯片的主要方式。

  在芯片架构领域,X86和ARM可谓是经过数十年锤炼,已经在各自领域占据不可动摇的地位。其中,X86主导了PC芯片市场,而ARM则主导了移动终端芯片市场。因主打低成本、低功耗和高效率这三手好牌,ARM架构恰好迎合了包括智能手机在内的诸多移动终端设备的发展潮流。

  下图是典型的基于ARM架构的基带芯片的逻辑架构,其中3G/4G Baseband Logic指的是DSP运算子系统。

  1.微处理器通过实时操作系统RTOS(如Nucleus PLUS)完成多任务的调度、任务间通信、外设驱动以及微处理器与DSP子系统及其他模块的通信等等。功能还包括:(1)对整个移动台进行控制和管理,包括定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制等;(2)完成所有的软件功能,即无线通信协议的物理层与协议栈的通信、高层协议栈(TCP/IP等),若用于功能机则还会包括MMI(人-机交互接口)和应用软件。

  2.DSP 子系统则用于物理层所有算法的处理,包括信息的信道编码、加密、信道均衡、语音编码/解码、调制解调等。DSP 子系统和微处理器子系统之间的数据通信手段包括双端口随机读取存储器(RAM)、多总线共享资源(一些厂商采用了AMBA公司的多层总线协议)等。多模多频基带芯片中可能包含多颗DSP。

  3.在存储器组织方面,微处理器和DSP子系统可能都有各自独立的高速缓冲存储器(Cache),有共享的片内SRAM和共享的外扩存储器。扩展存储器普遍支持同步动态随机存储器(SDRAM)和NAND型Flash RAM等。

  FLASH ROM可用于存储Boot Rom、链接操作系统和用户应用程序的CP Rom。ROM接口主要用来连接存储程序的存储器FLASH ROM,RAM接口主要用来连接存贮暂存数据的静态RAM(SRAM)。片内嵌入大容量静态随机读取存储器(SRAM)已非常普遍,有利于降低功耗,减少系统成本。

  4.外设和接口方面,基带芯片往往支持多种接口以方便和应用处理器的通信以及增加其他模块如Wifi、GPS。接口包括UART、多媒体接口(MMI)、通用串行总线(USB)、SPI等。

  MCU与外部接口的通信可通过DMA进行,若基带芯片没有集成RF,则还有RF专用接口。

  随着通信技术的发展,运营商会推出越来越多的通信模式以适应通信的需要,比如移动推出的4G-TD-LTE、电信/联通推出的4G-LTE FDD、移动3G-TD-SCDMA,包括即将推出的5G网络,都是不同的通信模式。

  为适应不同通信的技术,满足通信运营商的不同通信模式,基带芯片从单模往多模方向发展也就成了必然,本小节将着重介绍多模基带芯片。

  单模基带芯片采用双核架构,一个ARM处理器和一个DSP,两者之间的通信通过双端口静态存储器(Dual port SRAM)进行。同时,ARM还会对DSP子系统做一些直接的控制,通过直接操作寄存器(地址/控制/数据寄存器)完成。 当然,对于一些运算能力比较强的DSP,1个ARM+1个DSP+多个加速器子系统也可实现多模基带。

  下图是传统双核基带芯片的架构图,其中蓝色单线表示ARM对DSP子系统的直接控制。

  而多模移动终端基带芯片的发展将成为必然,即最终在一颗基带芯片上支持所有的移动网络和无线G和WiFi等,多模移动终端可实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。

  多种通信模式汇集在一颗芯片内会大大增加芯片的实现难度,不仅要设计通用的移动通信模式实现平台,还要在有限的尺寸范围内为每种通信模式增设特有的加速单元、MCU 上和不同模式子系统之间则还要考虑模式切换所必须的通信管理。

  本小节以GSM/EDGE/TD-SCDMA 三模基带芯片的基本架构为例描述了多模基带芯片的逻辑架构。 该三模芯片又一个ARM9、两个DSP子系统实现,ARM和俩DSP子系统间的通信依然是双口SRAM,如下图所示。

  由于GSM/EDGE物理层算法基本一致,两者的调制方式虽不同(GSM采用GMSK、EDGE采用8PSK)但解调方式一致-都是Viterbi译码,因此两者物理层处理共享一个DSP加上一些额外的硬件支持。TD-SCDMA的物理层算法则与GSM/EDGE有很大差距,有完全不同的实现体系,尤其是TD-SCDMA的联合检测算法需要大量的计算,因此需要独立的DSP子系统实现。

  多模终端的一大技术要点是通信模式的切换,这就需要基带芯片的支持。若是手动切换模式就比较简单,不同模式的DSP子系统彼此独立、简单的捆绑,MCU 中不同模式的协议栈也独立创建任务即可。实际商用中手动切换那是会被用户无情的抛弃的,因此多模终端必须能够智能探测不同模式的信号强度,自动完成模式切换,这一切最好都要在用户感觉不到的情况下进行。

  多模基带的模式自动切换就需要额外的设计难度了,需要将多种模式的协议栈紧密糅合、各自的物理层之间还有必要的数据通信。各种通信模式互切换的规范和算法使得MCU上多种模式协议栈的糅合称为可能,物理层信息共享则可通过在不同DSP子系统间建立简单直连(如寄存器或SPI等)进行。

  若是所有的通信模式都封装在一颗芯片上,由一个主控处理器控制时模式切换相对简单。能做到单芯片支持全模的只有高通一家。大部分终端基带方案都两颗甚至多棵基带芯片的组合,如CDMA/GSMg 基带+LTE 基带,两颗基带芯片间通过SPI, SDIO , USB 等通信。

  多频指的是各网络环境下的工作频率。频率的意思,就是每种网络制式,每个国家都划分了几个不同的频段,让不同运营商的手机运行在不同的频段上,互相不干扰。通俗点讲,就像收音机一样,调不同的频率就是不同的台,手机网络也运行不同的频段上。

  市面上X模X频手机实际有较多的组合,例如双模、我国提得比较多的可能是三模八频、五模十频、五模十三频这三个,中国移动是最早提出五模十三频的,简单来说便是支持五个通信模式和十三个相应频段的移动设备。

  支持五模十三频的手机,就是说可以支持中国移动和中国联通的2G、3G、4G,也就是双4G!这样的手机只要插移动卡,就是支持移动的2G、3G、4G网络,如果插联通卡,就支持联通的2G、3G、4G网络。

  基带芯片的技术门槛高、研发周期长、资金投入大(从开始研发到一次流片动则百万美元为单位)、竞争激烈,因此如果“站错队”或者成品稍晚一步则容易陷入步步皆输的境地。

  很多厂商相继放弃基带业务,飞思卡尔、德州仪器、博通、英伟达都相继放弃了基带市场,爱立信则从若即若离到现在重新挤入阵营,高通占据基带芯片市场半壁江山。国内紫光展锐势头猛烈,进入国家队后资金扶持必将大幅提升市占比,华为海思自给自足也不容忽视。

  基带芯片:骁龙855、骁龙835、骁龙660、骁龙653、骁龙626、骁龙435、骁龙430、骁龙427、骁龙425

  手机产品:小米6、三星S8、一加5、努比亚Z12、乐视、红米Note、华为G系列等

  我们一般都会认为手机CPU的性能体现在其处理速度和功耗上,其实在智能手机时代还有一层最基础、最关键的需求手机信号质量,这一由基带芯片决定的通讯功能将直接影响手机的通话质量和上网速度。

  因此,基带芯片是手机芯片的技术制高点之一,一直以来是国际芯片巨头的必争之地。在5G网络及5G手机来临之际,快速抢占5G基带芯片市场份额,将有助于芯片巨头提升财务营收,以便在6G网络取得先机,并形成良性循环。

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