重慶郵電大學通信與信息工程學院 潘應進
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基帶芯片架構(gòu)及驗證研究
重慶郵電大學通信與信息工程學院 潘應進
【摘要】結(jié)合2G、3G再到LTE和衛(wèi)星通信,對基帶芯片的發(fā)展進行了研究,介紹了基帶芯片的主要功能,總結(jié)了基帶芯片的基本架構(gòu)。結(jié)合基帶芯片的架構(gòu)提出了其驗證的基本需求和策略。
【關鍵詞】基帶芯片;衛(wèi)星通信;架構(gòu);驗證
基帶芯片是整個手機的核心部分,用來合成即將發(fā)射的基帶信號,或者對接收到的基帶信號進行解碼?;鶐酒煞譃槲鍌€部分:CPU處理器、信道編解碼、數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器和接口模塊。CPU處理器對整個移動臺進行控制和管理,包括定時控制、數(shù)字系統(tǒng)控制、射頻控制、省電控制和人機接口控制等。若采用跳頻,還應包括對跳頻的控制。同時,CPU處理器完成終端所有的軟件功能,即通信協(xié)議的layer1(物理層)、layer2(數(shù)據(jù)鏈路層)、layer3(網(wǎng)絡層)、MMI(人-機接口)和應用層軟件。信道編碼器主要完成業(yè)務信息和控制信息的信道編碼、加密等。數(shù)字信號處理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于規(guī)則脈沖激勵-長期預測技術(RPE-LPC)的語音編碼/解碼。調(diào)制解調(diào)器主要完成通信系統(tǒng)所要求的高斯最小頻移鍵控調(diào)制/解調(diào)方式。
隨著無線通信技術的飛速發(fā)展,基帶芯片不僅發(fā)展迅速,而且各式各樣。從2G、2.5G、3G到4G,再到5G,基帶芯片在功能上經(jīng)歷了從單模到雙模,再到多模的演變,在結(jié)構(gòu)上也經(jīng)歷了從MCU+DSP的雙核結(jié)構(gòu)到ARM+多DSP或者多ARM+多DSP的多核結(jié)構(gòu)的發(fā)展。但無論是單模還是多模,雙核還是多核,基帶芯片都要實現(xiàn)兩個主要功能:通信和應用,其中通信部分又包括基帶信號處理和協(xié)議棧。其中協(xié)議棧要求是實時的,應用部分則無需實時。因此,是否將協(xié)議棧和應用部分分到不同的處理器去運行,以及選擇什么樣的操作系統(tǒng),都會影響基帶芯片的基本架構(gòu)。
傳統(tǒng)的基帶芯片的基本架構(gòu)[1]采用的是ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)。ARM完成協(xié)議棧的處理,DSP完成基帶信號的處理,ARM與DSP之間由一個雙口的靜態(tài)隨機存儲器連接。
LTE基帶芯片的基本架構(gòu)[2]采用了多ARM+多DSP的結(jié)構(gòu),涉及到編解碼、信道估計、信道均衡、同步與測量算法。由于LTE對不同帶寬的支持,所以帶寬的不同對以上參數(shù)均有動態(tài)的影響,進一步增加了實現(xiàn)的復雜度。
我國第一代衛(wèi)星通信基帶處理芯片的采用了雙CPU+DSP+硬件加速器的結(jié)構(gòu),包含三個部分:協(xié)議層子系統(tǒng)、物理層子系統(tǒng)和IP子系統(tǒng)。協(xié)議層子系統(tǒng)完成協(xié)議的層二層三的協(xié)議處理,同時,完成與應用處理的交互,完成對物理層的控制和數(shù)據(jù)交互。協(xié)議層物理子系統(tǒng)除協(xié)議功能外,還負責控制整個芯片的工作,包括復位、啟動、工作等。物理層子系統(tǒng)完成協(xié)議的層一的協(xié)議處理,主要是上行數(shù)據(jù)的編碼、調(diào)制、加密等,下行數(shù)據(jù)的同步、解調(diào)、解密、譯碼等。IP子系統(tǒng)完成芯片的輔助控制功能和外設連接功能。
隨著通信要求的不斷提升,基帶芯片的結(jié)構(gòu)越來越復雜,但都有一個共同的特點,即所有的基帶芯片都是基于某一總線架構(gòu)的,總線架構(gòu)實現(xiàn)不同IP的互連和通信。另外,雖然目前業(yè)界使用的總線架構(gòu)五花八門,但從上述內(nèi)容可以看出,對通信基帶芯片而言,無論是最早的2G、3G,還是現(xiàn)在的4G和5G,甚至是衛(wèi)星通信,最常用也是性能最好的總線架構(gòu)仍然是ARM公司的AMBA總線。
基帶芯片的驗證經(jīng)歷了從傳統(tǒng)驗證方法到驗證方法學的演進過程,與傳統(tǒng)驗證方法相比,驗證方法學[3]的問世大幅的提升了驗證的質(zhì)量值效率,但也由于性能的增強,使用也更加繁瑣。但隨著基帶芯片復雜度的不斷提升,驗證的需求也越來越多,主要表現(xiàn)在一下幾個方面:
(1)隨機的激勵產(chǎn)生方式。芯片復雜度的提升使得待測功能點的持續(xù)增加,傳統(tǒng)的定向測試已經(jīng)無法滿足需求,需要隨機的激勵,增強對測試空間的覆蓋程度。
(2)功能覆蓋率的收集。使用了隨機激勵,就必須要有功能覆蓋率的支持,否則無法準確的判斷功能點的覆蓋情況。
(3)驗證平臺的可重用性。面對激烈的競爭市場,要求芯片的設計周期大幅縮短,這樣也就縮短了驗證平臺在單個芯片上的使用周期,因此,增強驗證平臺的可重用性,縮短新項目的設計周期。
(4)驗證結(jié)果的自動化檢查。要想大幅的縮短驗證周期,傳統(tǒng)的人工檢查驗證結(jié)果的方式顯然不足取,需要設計自動化的結(jié)果檢查機制,減少人為的干預,不僅能提高驗證的效率,還能提高正確性。
從這些需求來看,簡單的傳統(tǒng)驗證顯然已無法滿足,需要研究更為高效的驗證方法,綜合驗證方法的發(fā)展,驗證方法學使用隨機的激勵產(chǎn)生方式,具有收集功能覆蓋率的功能,加入計分板實現(xiàn)自動的結(jié)果比對,完全滿足現(xiàn)階段基帶芯片的驗證需求。而UVM[4]是目前最新的驗證方法學,吸收了縱多驗證方法學的優(yōu)點,將是未來芯片驗證的發(fā)展方向。
在我國4G覆蓋率不斷上升的背景下,5G的研發(fā),衛(wèi)星通信的發(fā)展,核心技術之一還是基帶芯片的設計與驗證。在目前基帶芯片架構(gòu)趨于穩(wěn)定的情況,驗證成了提升芯片質(zhì)量和市場競爭力的關鍵。在不斷改進基帶芯片架構(gòu)的同時研發(fā)高效的驗證方法,對我國基帶芯片的發(fā)展具有重大的意義。
參考文獻
[1]胡東偉,梁宏明,陳杰.移動終端基帶芯片概論[J].移動通信,2009,33(8):29-32.
[2]李鑫,劉亞新.LTE基帶芯片技術難點與現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代電信科技,2014(11):57-62.
[3]陳禮升.基于AMBA總線的SoC通用平臺搭建和SystemVerilog驗證研究[D].濟南:濟南大學,2011.
[4]Accellera.Universal Verification Methodology(UVM) 1.1 User’s Guide[M].2011.
潘應進(1990-),男,重慶郵電大學碩士研究生,研究方向:基帶芯片驗證和嵌入式研究。
作者簡介: