南京六九零二科技有限公司 曹榮祥

試析手機(jī)基帶芯片的低功耗研究及設(shè)計(jì)

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隨著科技的發(fā)展時(shí)代的進(jìn)步，智能手機(jī)技術(shù)日新月異，手機(jī)顯示屏更加高清、處理速度越來越快速內(nèi)存容量不斷擴(kuò)大，而這些技術(shù)的發(fā)展電池的考驗(yàn)非常大，所以在智能手機(jī)的發(fā)展過程中，如何節(jié)省功耗就成為了急需解決的問題?；鶐酒且环N通信處理器，任何手機(jī)都不可缺少，它的集成度已經(jīng)非常的高了，一般的3G基帶芯片的規(guī)?？蛇_(dá)到23000000門，智能手機(jī)低功耗問題中需要著重關(guān)注的方面之一，就是基帶芯片的低功耗設(shè)計(jì)。本文首先闡述了低功消耗策略的提出與實(shí)現(xiàn)、功耗測(cè)試與仿真結(jié)果，試著分析收集基帶芯片的低功耗的研究及設(shè)計(jì)。

收集基帶芯片；低功耗；設(shè)計(jì)及研究

1 低功耗策略的提出

1.1 基于日常生活

手機(jī)主要功能有：接打電話、收發(fā)短信以及上網(wǎng)等。自從其問世以來人們已經(jīng)越來越離不開這種同學(xué)設(shè)備。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，截止2010年底，全球使用手機(jī)的人數(shù)達(dá)到50億人，隨著使用手機(jī)人數(shù)的增加，手機(jī)通話時(shí)間也越來越長。其中美國人最甚，每月達(dá)到了835分鐘，其次是中國的香港和大陸，分別是430和420分鐘，每天平均打電話的時(shí)間約為14分鐘。由此我們也可以知道，手機(jī)在一天只有一小部分時(shí)間被使用，其他的時(shí)間都是處于待機(jī)的狀態(tài)，而基帶芯片除了在手機(jī)使用的過程中會(huì)運(yùn)行以外，在手機(jī)待機(jī)的過程中沒有必要與通信基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如果這時(shí)ARM，DSPs等硬件電路還處于運(yùn)行的狀態(tài)，那么手機(jī)電池中的部分電量就會(huì)被無意義的損失掉，所以為了避免這種無意義的消耗，在手機(jī)出于待機(jī)狀態(tài)時(shí)這些功能模塊的電源和時(shí)鐘都應(yīng)該處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 基于通信協(xié)議

FDMA系統(tǒng)中的一個(gè)頻道可以稱為幀，并且在TDMA中被定義成每個(gè)載頻中所包含的8個(gè)連續(xù)的時(shí)隙。發(fā)送所有突發(fā)脈沖的地方，是TDMA幀的一個(gè)時(shí)隙上，突發(fā)脈沖序列也是由一個(gè)消息格式存在于TDMA信道上的一個(gè)時(shí)隙中的。所有TDMA幀中時(shí)隙的個(gè)數(shù)為8個(gè)，時(shí)隙中馬元的個(gè)數(shù)有156.25個(gè)，其長度為0.577ms，幀的時(shí)長大概是4.615ms。由此可知，移動(dòng)終端在向基站傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，為了可以可以按整數(shù)倍的幀時(shí)長來關(guān)斷芯片的供電，應(yīng)該嚴(yán)格使用結(jié)果和時(shí)長的幀進(jìn)行消息的傳送，而不是連續(xù)的傳輸數(shù)據(jù)，也不是按照需要傳送長短不一樣的數(shù)據(jù)塊。

2 低功耗策略的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)2G系統(tǒng)在待機(jī)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)控制著每個(gè)模塊的時(shí)鐘和電源的開關(guān)，并且還控制著整個(gè)2G系統(tǒng)休眠與運(yùn)行狀態(tài)之間的安全切換，在物理實(shí)現(xiàn)方面,使用門控時(shí)鐘技術(shù)管理時(shí)鐘供給，使用電源管理狀態(tài)機(jī)控制電源相關(guān)信號(hào)。系統(tǒng)休眠的起止時(shí)刻和休眠時(shí)長等問題可疑通過休眠定時(shí)器來解決，確保系統(tǒng)的一次休眠為整數(shù)倍的TDMA幀，可以利用硬件校準(zhǔn)來對(duì)休眠定時(shí)器的誤差分析和引入誤差的原因進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)不同環(huán)境中的計(jì)時(shí)精度也要進(jìn)行改進(jìn)，在仿真結(jié)果方面達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在休眠狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)之間安全的進(jìn)行切換，應(yīng)該聯(lián)合起來使用休眠定時(shí)器與系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)。具體措施有，休眠定時(shí)器在系統(tǒng)還為進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，要確?？梢哉５倪\(yùn)行。另外，休眠定時(shí)器一直都要處于運(yùn)行狀態(tài)，與喚醒的方式無關(guān)，特別是提前喚醒方式。

表1 功耗測(cè)試結(jié)果

3 功耗測(cè)試與仿真結(jié)果

3.1 功耗測(cè)試結(jié)果

測(cè)試芯片功耗的過程比較復(fù)雜且工作量很大，想要完成這項(xiàng)工作，必須在在嚴(yán)格特定的使用案例下完成，測(cè)試的結(jié)果會(huì)隨著測(cè)試使用案例的不同而不同。在本文中使用的是手機(jī)待機(jī)時(shí)的功耗測(cè)試案例，想要測(cè)試功耗就應(yīng)該分兩種情況。

圖2 校準(zhǔn)過程全圖

圖3 校準(zhǔn)過程細(xì)節(jié)

以下公式為記時(shí)方法的版本在本文討論的休眠定時(shí)器中已經(jīng)成功流片，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1中主要描述了兩種功耗測(cè)試案例的測(cè)試參數(shù)和結(jié)果，另外主要參數(shù)的具體設(shè)置再其中也有體現(xiàn)，而并沒有給出其他參數(shù)配置。在兩種案例進(jìn)行時(shí)，手機(jī)沒有需要處理的電話、短信息或上網(wǎng)業(yè)務(wù)，也就是處于一種待機(jī)的狀態(tài)。而在基帶芯片方面，測(cè)試使用的基帶芯片規(guī)模達(dá)到48000000門，其中模擬基帶部分采用65ns工藝制造，同時(shí)還能支持GSM/WCDMA/LTE的多模智能手機(jī)基帶芯片，數(shù)字基帶部分采用40mm工藝制造。

3.2 功耗仿真結(jié)果

硬件校準(zhǔn)仿真結(jié)果：

圖2和圖3中主要使用的時(shí)鐘周期上有-200ppm的32KHz時(shí)鐘得到的結(jié)果，而并沒有用標(biāo)準(zhǔn)的32768Hz的時(shí)鐘得到仿真波形的校準(zhǔn)結(jié)果，32KHz的時(shí)鐘周期在仿真中設(shè)置的是30511475ps，26MNz時(shí)鐘的時(shí)鐘周期為38461538 fs，ModelSim的仿真精度設(shè)為飛秒（fs)。

首先應(yīng)該設(shè)置一些校準(zhǔn)參數(shù)，其中主要有slot，frame，frame16三個(gè)值，這三個(gè)值分別代表在一次校準(zhǔn)過程中，cnt-32k的值為多少時(shí)去讀cnt-15000的值。在本次設(shè)計(jì)中分別設(shè)置：slot=288，frame16=2419。

4 總結(jié)

如今，智能手機(jī)想要更進(jìn)一步的發(fā)展，關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是縮短手機(jī)的待機(jī)時(shí)間，想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望，一種方法是加大電池的容量，另一種方法就是減少手機(jī)的各個(gè)組成模塊的功耗，目前的所有手機(jī)中基帶處理芯片是不可缺少的配件之一，以低功耗為前提研究和設(shè)計(jì)基帶處理芯片，可以讓手機(jī)有更多的待機(jī)時(shí)間。上述文章中主要講述了想要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)手機(jī)基帶芯片的低功耗應(yīng)該完成的工作，具體有以下幾點(diǎn)：（1）首先分析了手機(jī)在人們?nèi)粘Ｉ钪兴加玫臅r(shí)間，在通信協(xié)議中的低功耗控制方面，制定出手機(jī)基帶芯片的低功耗策略，低功耗策略的制定過程中，不僅結(jié)合了基帶芯片本身的作用與架構(gòu)，還總結(jié)了組成手機(jī)的各個(gè)部位和關(guān)于在設(shè)計(jì)芯片過程中使用的低功耗方法提出的。另外，系統(tǒng)準(zhǔn)確休眠整數(shù)倍的TDMA幀也可以當(dāng)做該策略，并在幀邊界喚醒系統(tǒng)，讓基帶芯片消耗的功耗更加少。

（2）本文中設(shè)計(jì)了休眠定時(shí)器，其主要目的是為了準(zhǔn)確記錄整數(shù)倍的TDMA幀，在TDMA幀的真邊界，系統(tǒng)是否處于休眠狀態(tài)會(huì)有一定的變化，幀的邊界在系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)自動(dòng)喚醒系統(tǒng)，而當(dāng)系統(tǒng)離開運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)關(guān)斷通信模塊的時(shí)鐘。另外，調(diào)節(jié)定時(shí)器的休眠時(shí)間不是固定的，可以自己進(jìn)行調(diào)整。在硬件校準(zhǔn)方面，定時(shí)器上也做了設(shè)計(jì)，目的為了適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

（3）分別對(duì)驗(yàn)證仿真波形與流片測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，在功耗節(jié)省率方面，也進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)中每一個(gè)重點(diǎn)給出了驗(yàn)證仿真波形并分析。

5 結(jié)束語

采取本文描述的降低功耗的方法有一定的效果，但是這種策略并不是最有效的。現(xiàn)階段，高階電值晶體管技術(shù)相較于以前有了長足的發(fā)展，在其尺寸方面不斷在縮小，3D晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，使這種從工藝角度對(duì)功耗的節(jié)省和改進(jìn)處理性能等方面有著很好的促進(jìn)作用，但是還有一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，就是如何做到集成電路更低的功耗。筆者在本文中主要是從系統(tǒng)的角度作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，而并沒有從其他更好方面進(jìn)行闡述，希望對(duì)研究低功耗的技術(shù)能有新思路。

[1]楊崢嶸．手機(jī)基帶芯片中系統(tǒng)功耗控制模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D]．西安電子科技大學(xué),2013．

[2]孫騰達(dá)．手機(jī)基帶芯片的低功耗設(shè)計(jì)[D]．西安電子科技大學(xué),2013．

[3]姚艷麗．低功耗手機(jī)基帶芯片的時(shí)鐘管理模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D]．西安電子科技大學(xué),2014．

[4]馬林．手機(jī)基帶芯片的低功耗研究與設(shè)計(jì)[D]．西安電子科技大學(xué),2012．

[5]王璐璐．?dāng)?shù)字電路功耗分析及優(yōu)化的研究[D]．吉林大學(xué),2013．

[6]吳輝．高速率無線傳輸在WSN系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)[D]．北方工業(yè)大學(xué),2013．