| 向量处理技术使手机SDR支持多种标准(2) |
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| 作者：未知 来源：本站原创 点击数：242 更新时间：2007-10-15 |
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基带内核的向量化
将向量的平行关系以程序代码的形式表达出来，这一般被称作“向量化”。根据现有的算法，这个过程一般都可直接实现，或者只需要做一些小的改变。遗憾的是，即使是当今最尖端的向量化编译也无法在完全表达上述架构的同时获得 SDR 所需的高效代码。虽然我们已经能够为一些算法生成效率可以接受的代码，但目前这部分工作还必须通过人工进行。以下将介绍我们在若干重要算法方面所取得的成果。
快速傅立叶变换（FFT）
FFT是一种最基本的DSP 算法。它和它的反函数构成了 OFDM 标准中的重要算法，例如802.11a 等。其基本运算为用于若干复杂抽样（如2×12 位）的FFT 蝶形运算 。而向量处理器上的P/4蝶形运算可以方便地用平行关系计算出来。在这里向量化所遇到的问题在于，如何重新排列蝶形运算连续分层之间分区中的元素。对于OnDSP 和EVP 而言，这需要通过人工正移指令来进行。
表2 表示的是一些DSP 的64 点FFT 周期数（含位反向），已经从原来的256点FFT 按比例增加到蝶形算法数据。 “代码”一栏列出了程序是否已被汇编而“立即可用”（“otb”），亦即没有任何人工干预；或该程序是否在汇编层经过了工优化（“opt”）。在48/64个时钟周期内，EVP非常有效地使用了其 16 乘法器。EVP-C 调度的原型程序需要79个周期。
UMTS Golay 相关器
在UMTS-FDD接收器中，Golay 相关器用于捕获基站信号。 它基本上是一个用于监测256片长度的主同步码 （PSC）的相关峰值而特别设计的滤波器。这些不规则的 FIR抽头需要非顺序地访问向量内存。而在这个过程中，向量化一般也都是直接的：P 连续输出的运算符可以通过平行关系计算出来。EVP 上P运算符的自动调度需要22个周期。对存储器的访问和进度进行优化可使P运算符占用周期数减少至16个。
UMTS rake接收器
rake接收器通常用于组合CDMA 标准中分散的多路信号。 对于UMTS 手机而言，rake接收器则用于多种数据和控制通道，每一个通道包含多达6条瑞克线。一条基本UMTS rake线包括代码生成（加扰 + 通道化）、解扰 、解扩频、双重加权和STTD 组合。
在 EVP内部回路中，这种rake线会让大部分FU 保持最充分的工作状态。单个EVP VLIW 指令规定：
● 加载和排列P数据码片抽样向量；
● 生成一个P 码片向量；
● 使数据向量和码片向量保持相关；
● 内部相加得到一个或几个运算符（SF≤16），或部分运算符（SF > 16）。
表3概括显示了各类可编程DSP 上的瑞克线的负载状况。
Viterbi 和Turbo 解码
Viterbi 解码器也许是最常用的信道解码器。这些运算最为密集的器件包括两种类型的计算：框架构造运算和追溯法则运算。前者可以直接进行向量化，有效地使用向量正移。向后追踪本身即可连续运行。 EVP可使两种计算分别以向量和标量方式进行平行调度。表 4 分别列出了几种12 kbps UMTS AMR声道的 DSP （约束长度：K=9）。EVP的3.5 个蝶形运算/时钟周期被转化成解码器的 10 个周期/运算符，其约束长度等于 7 。
表 4 还列出了Turbo 解码过程中所载入的数值（3GPP，重复 6 次）。这里的EVP 周期数是根据人工调度得出的估算值。
向量处理器技术实现的SDR 成果
WLAN
飞利浦 802.11 a/b/g 基带是在OnDSP 向量处理器的基础上实现的。下面我们着重看一下 IEEE 802.11a 标准。根据上文有关 Viterbi 解码器的相关讨论可以看出，由于目前的速率高达54 MHz ，在向量处理器中添加 Viterbi 解码功能是不实际的。因此，在OnDSP 进行信号调节任务的同时，硬件加速器需要支持 Viterbi 解码、（解）插入和加（解）扰。向量处理器的主要任务为：
● 准备传输数据（TX）；
● 接收数据时进行补偿和跟踪（RX）；
● 脉冲监测与捕获。
表5中列出的OnDSP 周期数可产生 100MHz的OnDSP 负载。由于EVP中存在的平行关系是上述情况的两倍，因此OnDSP 负载值会降到大约50 MHz。 除满足OnDSP 负载约束要求外，OnDSP 也同样能够胜任同步化严格的实时约束要求。
值得注意的是，软件的灵活性不会增加应用的硅片面积，同样的资源还可以同时应用在同步化和 FFT中。
UMTS
如今的 GSM 手机采用了可编程 DSP进行所有的基带信号处理，具备了所有的灵活特点。此外，它还支持 DSP 架构和算法的各自独立升级或同时升级。不同公司的不同设计团队都曾采用DSP架构和工具作为两者间的接口。
而对于UMTS等3G标准，这种方法至少在现阶段还并不完全可行。单是EVP上Turbo解码每个运算符就需占用55个时钟周期。在UMTS 3GPP R’99中，这就使每个640 kbps 通道达到可接受的35 MIPS。 然而，在第5版3GPP中，14 Mbps的数据率将产生超过700MHz的EVP负载，也使90纳米CMOS的功耗接近1瓦。 此外，与2G标准相比，3G＋标准要承担多得多的动态计算负载，这一方面是由于它所采用的算法特性，另一方面也是由于大量情况各异的使用情形引起的。下面列出了UMTS的四种情形：
1. UMTS空闲模式，仅有多元同步；
2. 平缓衰减条件下的UMTS R’99 连接模式， 3 个专用通道 (DCH)与相邻单元广播通道(BCH) 监测；
3. 散射环境下的多路（6条rake线）UMTS R’99 连接模式具有与以往相同的传输通道；
4. 散射环境下多路（6条rake线）UMTS R99 连接模式，传输通道配置相同，并添加了HSDPA，连接15个下行链路通道化代码 （3GPP R5）。
上述四种情形中的 EVP 负载值如表 6 所示。请注意负载分配类型的变化！
为了增强系统能力和改善接收效果，该过程将来需要应用更先进的接收器算法，如：干扰消除、芯片速率平均化或联合监测。在我们看来，这正是采用SDR最为重要的原因之一。
基于多标准的考虑
图8显示了各类无线标准在调制解调器阶段的 EVP 负载。请注意，EVP在各个标准中还有巨大的发挥空间。
这些可发挥的空间能够用于：
● 改善性能，但对算法要求更高：
● 降低电源电压，以降低功耗；
● 原则上可同时采用多种标准。
图9显示了WLAN 和 UMTS 组合及其系统间切换的情形。同时支持多种标准时，必须更谨慎地协调使用类似图4的SDR 硬件架构的资源。
结论
SDR 调制解调器阶段要求软件能够更灵活地处理多种无线标准，应对标准升级和算法改进（包括漏洞补救）。而向量平行关系与VLIW 的组合将为这类应用提供所需的运算功能。在若干WLAN IC中，OnDSP 充分地展现了这种能力。与传统的DSP 相比，EVP 及其功能强大的FU（正移、内部向量和代码生成）不仅仅在功能方面，而且在节省功率方面更胜一筹。因此，EVP 完全可以作为SDR的关键器件，并且通过内部标准和各类标准间的循环利用节约硅芯片面积。在300 MHz的运行频率下，EVP 也具备同时处理多种标准的潜力。
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