【文章內(nèi)容簡介】 成對(duì)一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)芯片的測試。 研究低功耗設(shè)計(jì)方法：系統(tǒng)級(jí)芯片因?yàn)橛邪偃f門以上的集成度和在數(shù)百兆時(shí)鐘頻率下工作 ,將有數(shù)十瓦乃至上百瓦的功耗。巨大的功耗給使用封裝以及可靠性方面都帶來問題 ,因此降低功耗的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)的必然要求。我們將在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中考慮低功耗的指標(biāo)：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、器件設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)等各個(gè)步驟，都采用低功耗數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)方法。例如：(1 )在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面 ,降低工作電壓是一方面 ,但太低工作電壓將影響系統(tǒng)性能。比較成熟的方法是采用空閑 (ＩＤＬＥ)模式和低功耗模式 ,在沒有什么任務(wù)的情況下使系統(tǒng)處于等待狀態(tài)或處于低電壓、低時(shí)鐘頻率的低功耗模式。另外可以采用可編程電源。(2 )在電路組態(tài)結(jié)構(gòu)方面盡可能少采用傳統(tǒng)的互補(bǔ)式電路結(jié)構(gòu) ,因?yàn)榛パa(bǔ)電路結(jié)構(gòu)每個(gè)門輸入端具有一對(duì)Ｐ、ＮＭＯＳ管 ,形成較大的容性負(fù)載 ,ＣＭＯＳ電路工作時(shí)對(duì)負(fù)載電容開關(guān)充放電功耗占整個(gè)功耗的百分之七十以上 ,因此深亞微米的電路結(jié)構(gòu)多選擇低負(fù)載電容的電路結(jié)構(gòu) ,如開關(guān)邏輯 ,ＤＯＭＩＮＯ邏輯以及ＮＰ邏輯 ,使速度和功耗得到較好的優(yōu)化。(3 )低功耗的邏輯設(shè)計(jì)。一個(gè)工作在數(shù)百兆頻率的系統(tǒng)不可能處處都是以幾百兆頻率工作 ,對(duì)于電路中那些速度不高或驅(qū)動(dòng)能力不大的部位可采用低功耗的門 ,以降低系統(tǒng)功耗。因此在邏輯綜合時(shí)就將低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)加進(jìn)去 ,在滿足電路工作速度的前提下 ,盡可能用低功耗的單元電路。(4)采用低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù) ,ＭＯＳ輸出電路幾乎都采用一對(duì)互補(bǔ)的Ｐ、ＮＭＯＳ管 ,在開關(guān)過程中 ,在瞬間存在兩個(gè)器件同時(shí)通導(dǎo) ,造成很大功耗。對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片引腳多 ,電路頻率高 ,這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重 ,因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免這一問題的出現(xiàn)以降低功耗。 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)：WCDMA/GSM多模終端基帶處理SOC的硬件平臺(tái)包括：WCDMA數(shù)字基帶處理單元、GSM/GPRS數(shù)字基帶處理單元、混合信號(hào)處理單元、處理機(jī)單元、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)單元、外部存儲(chǔ)器控制單元以及各類接口單元等：圖3 硬件平臺(tái)框圖WCDMA數(shù)字基帶處理單元主要完成WCDMA基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、RAKE接收機(jī)、業(yè)務(wù)復(fù)用和解復(fù)用、編譯碼、小區(qū)搜索、自動(dòng)頻率控制信號(hào)（AFC）、自動(dòng)增益控制（AGC）等功能。GSM/GPRS數(shù)字基帶處理單元主要完成GSM/GPRS基帶信號(hào)的處理。處理機(jī)單元實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧中高層協(xié)議處理功能；支持用戶的操作界面；完成對(duì)其他各單元的控制功能；對(duì)外提供各種必須的接口機(jī)制，包括：USB接口、以太網(wǎng)接口（可選）、異步串口、LCD顯示器、PCMCIA接口、IrDA、鍵盤等?；旌闲盘?hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。主要包括基帶I/Q信號(hào)的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制（AGC）信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換、自動(dòng)頻率控制（AFC）信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，時(shí)鐘模塊由基帶處理模塊的AFC控制。存儲(chǔ)單元及外部存儲(chǔ)器控制單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)。外圍接口單元包括鍵盤接口、LCD接口、以太網(wǎng)接口、串行接口以及其它擴(kuò)展接口。 WCDMA數(shù)字基帶處理單元WCDMA數(shù)字基帶處理單元是本次研發(fā)的重點(diǎn)之一。WCDMA數(shù)字基帶處理單元從功能上劃分為基帶發(fā)送單元和基帶接收單元，主要采用可重構(gòu)硬件和軟件混合設(shè)計(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)。軟件的作用是協(xié)調(diào)基帶發(fā)送單元、基帶接收單元以及各個(gè)模塊的工作。發(fā)送的信源數(shù)據(jù)和解調(diào)的數(shù)據(jù)通過它和外界的接口完成交互；運(yùn)行底層的協(xié)議；另外當(dāng)基站處于壓縮模式的時(shí)候，起到主要的協(xié)調(diào)作用?？芍貥?gòu)硬件主要完成諸如擴(kuò)頻接收、解擴(kuò)以及編譯碼等處理。原則上將運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性高的部分放到硬件中完成（例如CHIP級(jí)的處理），而將靈活的部分放到軟件中實(shí)現(xiàn)（例如SYMBOL級(jí)的處理），這種方法可以大大縮短設(shè)計(jì)的周期，提高設(shè)計(jì)的靈活性。下圖給出了WCDMA數(shù)字基帶處理模塊的框圖：圖4 WCDMA數(shù)字基帶處理模塊框圖 基帶接收單元基帶接收單元接收來自混合信號(hào)處理單元的信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)計(jì)算出信號(hào)功率，調(diào)整AGC的控制信號(hào)；對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行小區(qū)搜索、相位搜索、解調(diào)、譯碼等處理。：基帶接收單元最初的工作是同步。WCDMA系統(tǒng)的載頻同步和系統(tǒng)同步是共同完成的，系統(tǒng)同步采用三步小區(qū)搜索來完成。小區(qū)搜索利用兩個(gè)下行同步信道（Primary SCH 和Secondary SCH）和PCPICH來完成。小區(qū)搜索分三步進(jìn)行：第一步：時(shí)隙同步小區(qū)搜索模塊對(duì)小區(qū)的主同步信道（Primary SCH ）進(jìn)行搜索。這個(gè)步驟的主要目的有兩個(gè)：一是對(duì)移動(dòng)臺(tái)的時(shí)鐘模塊的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行粗調(diào)，減小移動(dòng)臺(tái)與基站之間的頻差；二是使移動(dòng)臺(tái)獲得與最強(qiáng)基站的時(shí)隙同步。圖5 PSCH搜索頂層框圖對(duì)PSCH的搜索步長為1/2個(gè)chip。圖中兩個(gè)1/2碼片搜索器的結(jié)構(gòu)是相同的：由一個(gè)1/2碼片匹配濾波和一個(gè)FIFO緩沖累加器組成。兩個(gè)部分聯(lián)合起來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)相位點(diǎn)的測量。圖6 1/2碼片搜索器的結(jié)構(gòu)框圖第二步：擾碼碼組識(shí)別和幀同步小區(qū)搜索模塊對(duì)基站的第二同步碼進(jìn)行處理。其使用的相位得自第一同步碼。此步的功能是使移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)與基站的幀同步，并確定基站使用的擾碼組。圖7 SSCH搜索方案第三步：擾碼識(shí)別小區(qū)搜索模塊對(duì)公用導(dǎo)頻信道進(jìn)行運(yùn)算相關(guān)，完成小區(qū)主擾碼的確定工作。圖8 PCPICH解調(diào)單元頂層框圖小區(qū)搜索完成之后，移動(dòng)臺(tái)將不斷地對(duì)此時(shí)的信道環(huán)境作比較系統(tǒng)的評(píng)估，得到各個(gè)路徑的位置和延時(shí)擴(kuò)展的參數(shù)。在對(duì)信道環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估的過程中，移動(dòng)臺(tái)可以根據(jù)各個(gè)路徑的頻差更加合理地調(diào)整時(shí)鐘模塊的頻率，并得到基站是否使用前向發(fā)送分集的判斷。不論移動(dòng)臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)還是處于通信狀態(tài)，小區(qū)搜索模塊時(shí)刻都在對(duì)信道環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，一旦發(fā)現(xiàn)本小區(qū)信號(hào)的信噪比低于相臨小區(qū)的信噪比并滿足切換策略的時(shí)候，就可以進(jìn)入切換流程。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在通信狀態(tài)進(jìn)行切換的時(shí)候接收機(jī)使用宏分集技術(shù)對(duì)前向信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。這樣在切換的時(shí)候不易掉話：由于WCDMA技術(shù)可以區(qū)分無線電波不同的到達(dá)路徑，所以接收機(jī)采用RAKE接收機(jī)。在RAKE接收機(jī)中要對(duì)不同徑的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并進(jìn)行合并。不同徑的信號(hào)幅度，相位不同，而且隨著移動(dòng)臺(tái)的位置變化，不同徑的信號(hào)幅度，相位會(huì)發(fā)生變化，甚至這個(gè)徑的信號(hào)會(huì)消失，或者產(chǎn)生新的多徑信號(hào)，因此需要在解調(diào)之前搜索到足夠多的徑參加解調(diào)。這里的搜索和小區(qū)搜索第三步的搜索有類似之處，都是對(duì)PCPICH信道的搜索。不同的是在小區(qū)搜索第三步中，我們還不知道該小區(qū)中所用的主擾碼，因此是用同一個(gè)主擾碼組中的8個(gè)不同主擾碼來對(duì)PCPICH進(jìn)行相關(guān)，選出相關(guān)能量最大值，從而確定小區(qū)使用的主擾碼，識(shí)別基站的身份。而在這里，通過小區(qū)搜索，我們已經(jīng)知道了該小區(qū)使用的主擾碼，需要知道的是各個(gè)徑的偏移量，因此是用主擾碼的不同相位來對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到若干個(gè)能量最大的位置。圖9 PCPICH搜索框圖碼片相位點(diǎn)進(jìn)行搜索，搜索窗口控制了搜索器搜索的范圍，擾碼產(chǎn)生器生成不同相位的擾碼給搜索器使用。 從兩個(gè)搜索器搜索出來的能量送到能量排序單元按照能量的大小進(jìn)行排序，排序的結(jié)果送到搜索結(jié)果寄存器，由CPU讀取。圖10 每路搜索器框圖 能量計(jì)算單元完成對(duì)PCPICH的能量計(jì)算和存儲(chǔ)。從匹配濾波器送出的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到中間結(jié)果存儲(chǔ)器中，經(jīng)過累加長度1次的累加之后，n個(gè)數(shù)據(jù)送往每個(gè)相位點(diǎn)的能量計(jì)算單元進(jìn)行能量計(jì)算，得到的結(jié)果送往第2次累加結(jié)果存儲(chǔ)器按照累加長度2寄存器的設(shè)定的長度進(jìn)行第2次累加。最后的能量結(jié)果送往能量排序單元進(jìn)行排序。圖11 能量計(jì)算單元框圖匹配濾波器的結(jié)構(gòu)如圖所示：圖12 匹配濾波器框圖：由于前向信道中包含公用導(dǎo)頻信道，所以在WCDMA前向信道中使用相干解調(diào)技術(shù)。另外由于WCDMA技術(shù)可以區(qū)分無線電波不同的到達(dá)路徑，所以接收機(jī)采用RAKE接收機(jī)。在RAKE接收機(jī)中，對(duì)不同路徑采用最大比合并，從而得到最佳的解調(diào)結(jié)果。 A、RAKE接收機(jī)：圖13 接收機(jī)頂層框圖從天線來的I,Q兩路數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)分配器，送給每一個(gè)finger,經(jīng)過解調(diào)的數(shù)據(jù)和合并信息一起送到合并單元。每一個(gè)finger都有一個(gè)控制使能端，由CPU控制該finger是否參加解調(diào)。B、每個(gè)finger的結(jié)構(gòu)：圖14 每個(gè)徑的結(jié)構(gòu)框圖每一個(gè)finger，對(duì)應(yīng)于不同的徑。不同徑的識(shí)別是由搜索器完成的，搜索器搜索可能的路徑，將每個(gè)徑的偏移量和能量送往CPU,CPU將能量最大的6個(gè)徑的偏移量送給RAKE，進(jìn)行解調(diào)。RAKE的每個(gè)finger按照不同的偏移量控制本徑的OVSF碼產(chǎn)生器和擾碼產(chǎn)生器。產(chǎn)生給本徑解調(diào)使用的碼字。這個(gè)相位偏移控制的初始值是由搜索器給出，以后由EarlyLate環(huán)路進(jìn)行跟蹤，使本finger能連續(xù)跟蹤本條徑的變化，當(dāng)徑的變化超出了EarlyLate環(huán)路的跟蹤能力之后，該finger就不再解調(diào)這條徑，由CPU重新分配一條新的徑給這個(gè)finger。C、每徑的解調(diào)：圖15 每一徑的解調(diào)框圖D、信道估計(jì)與最大比合并：在WCDMA系統(tǒng)的前向信道，存在一個(gè)PCPICH信道，用于CPCH及DPCH的信道估計(jì)、路徑搜索、在切換檢測時(shí)進(jìn)行功率測量；還存在一個(gè)專用導(dǎo)頻符號(hào)（pilot），用于在前向鏈路閉環(huán)功率控制時(shí)的功率測量、前向閉環(huán)傳輸分集的天線確認(rèn)，DPCH的信道估計(jì)。 同時(shí)使用兩種方法進(jìn)行信道估計(jì)、功率估計(jì)可以降低傳輸功率。但考慮到多譜勒頻移，目前只使用PCPICH信道進(jìn)行信道估計(jì)。完成信道估計(jì)之后，進(jìn)行最大比合并：根據(jù)各徑信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，信號(hào)強(qiáng)者放大量大。加權(quán)系數(shù)與各徑的信號(hào)強(qiáng)度成正比，即。從而使合并后的信號(hào)的信噪比最大。 圖16 數(shù)據(jù)信道解調(diào)框圖E、EarlyLate環(huán)路：圖17 EarlyLate環(huán)路實(shí)現(xiàn)框圖I,Q兩路數(shù)據(jù)同時(shí)送到Early，Late和當(dāng)前三個(gè)支路，Early支路的擾碼和OVSF碼比數(shù)據(jù)提前半個(gè)碼片，Late支路的擾碼和OVSF碼比數(shù)據(jù)滯后半個(gè)碼片，分別進(jìn)行導(dǎo)頻的解擴(kuò)，計(jì)算出Early,Late和當(dāng)前支路的能量，如果當(dāng)前支路的能量小于跟蹤鎖定門限，則該finger的跟蹤已經(jīng)無法進(jìn)行，表明本條徑無法參加解調(diào)，如果當(dāng)前支路的能量大于跟蹤鎖定門限，則Early和Late支路的能量差作為本條徑的跟蹤信號(hào)去調(diào)整擾碼和OVSF碼的相位偏移量。對(duì)Early,Late和當(dāng)前支路來說，解擴(kuò)單元的結(jié)構(gòu)是相同的，不同的是擾碼和OVSF碼的初始相位不同。圖18 導(dǎo)頻解擴(kuò)單元框圖：在移動(dòng)臺(tái)側(cè)，對(duì)于RAKE接收機(jī)解調(diào)的信號(hào)，要首先進(jìn)行業(yè)務(wù)解復(fù)用的過程。此步驟將不同的業(yè)務(wù)分開。然后將分開后完整的數(shù)據(jù)送到譯碼單元處理。 信道譯碼單元主要是完成解復(fù)用、解交織（包括一次、二次交織）、卷積碼譯碼、Turbo碼譯碼等功能。解復(fù)用器完成對(duì)SSR輸出數(shù)據(jù)解復(fù)用、解交織（包括一次、二次交織），形成待譯碼數(shù)據(jù)；卷積碼譯碼器完成卷積碼譯碼功能，采用標(biāo)準(zhǔn)Viterbi譯碼算法，支持384K業(yè)務(wù)，并在譯碼同時(shí)完成進(jìn)行CRC校驗(yàn)；Turbo碼譯碼器負(fù)責(zé)完成Turbo碼譯碼功能，采用Log_MAP算法，對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在譯碼器中完成CRC校驗(yàn)，同時(shí)考慮使用譯碼提前結(jié)束方法。譯碼結(jié)果由DSP讀出，上報(bào)主控CPU。圖19 信道譯碼單元框圖基帶發(fā)送單元主要功能包括兩個(gè)部分：專用物理信道部分和隨機(jī)接入信道部分。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照傳輸信道先分類。然后對(duì)傳輸信道分塊編碼。采用何種編碼方式由上層來決定。然后將編碼后的數(shù)據(jù)復(fù)用交織。復(fù)用之后的數(shù)據(jù)放入專用物理數(shù)據(jù)信道，導(dǎo)頻比特、TFCI、功率控制命令和反饋指示放入專用物理控制信道。隨后將這兩個(gè)信道的數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后發(fā)送到混合信號(hào)處理模塊。WCDMA系統(tǒng)向用戶提供包含傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)和當(dāng)前流行的多媒體業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)。不同的業(yè)務(wù)在編碼的過程中可以使用卷積編碼和TURBO編碼兩種信道編碼方式。這兩種編碼方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。卷積編碼譯碼速度快，但是誤碼較高，TURBO譯碼的速度慢但是誤碼較低。根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)誤碼率和QOS（服務(wù)質(zhì)量）的需求，系統(tǒng)將事先明確使用的信道編碼類型。 圖20 MT發(fā)送流程實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)圖所示：圖21 發(fā)送單元框圖編碼器結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖22 卷積編碼器框圖圖23 Turbo碼編碼器框圖 混合信號(hào)處理單元混合信號(hào)處理單元的主要功能為數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。主要包括幾個(gè)方面的功能：將下行鏈路基帶接收I/Q模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)；將上行鏈路基帶發(fā)送I/Q數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)；根據(jù)基帶要求，將自動(dòng)增益控制AGC數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)，用以控制射頻模塊接收信號(hào)的增益；自動(dòng)頻率控制AFC。將自動(dòng)頻率控制AFC數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)用以控制時(shí)鐘部分的壓控振蕩器。AFC單元：圖24 信道估計(jì)和頻差估計(jì)單元結(jié)構(gòu)框圖圖25 每一徑的信道估計(jì)和頻差估計(jì)單元的實(shí)現(xiàn)框圖圖26 頻差輸出單元框圖圖27 自動(dòng)頻率控制環(huán)路結(jié)構(gòu)框圖 B、ADC/DAC單元：DAC用于將在基帶發(fā)送單元成形后的I和Q支路的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，送往射頻調(diào)制；ADC用于將來自射頻模塊的I和Q支路的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入基帶接收單元。這部分IP核可以從臺(tái)灣聯(lián)電獲得。 GSM/GPRS數(shù)字基帶處理模塊首信集團(tuán)（見附件《首信集團(tuán)簡介》）是中國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)確定的520戶國家重點(diǎn)企業(yè)之一，一直是中國通信制造業(yè)的龍頭之一。星河亮點(diǎn)公司此次與首信集團(tuán)簽訂了廣泛的合作協(xié)議，從模塊提供到產(chǎn)業(yè)化等各個(gè)方面建立合作，為振興民族企業(yè)，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展而共同努力。首信集團(tuán)的GSM/GPRS模塊已經(jīng)在其產(chǎn)品中得到了廣泛的使用，是非常成熟的技術(shù)及產(chǎn)品，這部分技術(shù)可以從首信集團(tuán)獲得。 處理機(jī)單元處理機(jī)單元的主要功能是完成移動(dòng)臺(tái)的協(xié)議和應(yīng)用部分的工作，也即L2和L3的功能。星河亮點(diǎn)公司與蘇州國芯科技有限公司（以下簡稱國芯公司）已經(jīng)簽訂了合作協(xié)議，將在本系統(tǒng)中采用國芯公司的C*CORE處理機(jī)，我們選用的C*CORE處