【文章內容簡介】 成對一個完整的系統(tǒng)級芯片的測試。 研究低功耗設計方法：系統(tǒng)級芯片因為有百萬門以上的集成度和在數(shù)百兆時鐘頻率下工作 ,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 ,因此降低功耗的設計是系統(tǒng)級芯片設計的必然要求。我們將在整個設計過程中考慮低功耗的指標：在系統(tǒng)設計、結構設計、邏輯設計、電路設計、器件設計、版圖設計等各個步驟，都采用低功耗數(shù)字集成電路設計方法。例如：(1 )在系統(tǒng)設計方面 ,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 ,在沒有什么任務的情況下使系統(tǒng)處于等待狀態(tài)或處于低電壓、低時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)結構方面盡可能少采用傳統(tǒng)的互補式電路結構 ,因為互補電路結構每個門輸入端具有一對Ｐ、ＮＭＯＳ管 ,形成較大的容性負載 ,ＣＭＯＳ電路工作時對負載電容開關充放電功耗占整個功耗的百分之七十以上 ,因此深亞微米的電路結構多選擇低負載電容的電路結構 ,如開關邏輯 ,ＤＯＭＩＮＯ邏輯以及ＮＰ邏輯 ,使速度和功耗得到較好的優(yōu)化。(3 )低功耗的邏輯設計。一個工作在數(shù)百兆頻率的系統(tǒng)不可能處處都是以幾百兆頻率工作 ,對于電路中那些速度不高或驅動能力不大的部位可采用低功耗的門 ,以降低系統(tǒng)功耗。因此在邏輯綜合時就將低功耗優(yōu)化設計加進去 ,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)采用低功耗電路設計技術 ,ＭＯＳ輸出電路幾乎都采用一對互補的Ｐ、ＮＭＯＳ管 ,在開關過程中 ,在瞬間存在兩個器件同時通導 ,造成很大功耗。對系統(tǒng)級芯片引腳多 ,電路頻率高 ,這一現(xiàn)象更為嚴重 ,因此在電路設計時應盡可能避免這一問題的出現(xiàn)以降低功耗。 硬件平臺設計：WCDMA/GSM多模終端基帶處理SOC的硬件平臺包括：WCDMA數(shù)字基帶處理單元、GSM/GPRS數(shù)字基帶處理單元、混合信號處理單元、處理機單元、時鐘電路、存儲單元、外部存儲器控制單元以及各類接口單元等：圖3 硬件平臺框圖WCDMA數(shù)字基帶處理單元主要完成WCDMA基帶信號的調制解調、RAKE接收機、業(yè)務復用和解復用、編譯碼、小區(qū)搜索、自動頻率控制信號（AFC）、自動增益控制（AGC）等功能。GSM/GPRS數(shù)字基帶處理單元主要完成GSM/GPRS基帶信號的處理。處理機單元實現(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；完成對其他各單元的控制功能；對外提供各種必須的接口機制，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。混合信號處理模塊實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉換以及模擬信號到數(shù)字信號的轉換。主要包括基帶I/Q信號的模數(shù)和數(shù)模轉換、自動增益控制（AGC）信號的數(shù)模轉換、自動頻率控制（AFC）信號的數(shù)模轉換等。時鐘模塊為系統(tǒng)提供基準時鐘，時鐘模塊由基帶處理模塊的AFC控制。存儲單元及外部存儲器控制單元實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和程序存儲。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，主要采用可重構硬件和軟件混合設計的方式來實現(xiàn)。軟件的作用是協(xié)調基帶發(fā)送單元、基帶接收單元以及各個模塊的工作。發(fā)送的信源數(shù)據(jù)和解調的數(shù)據(jù)通過它和外界的接口完成交互；運行底層的協(xié)議；另外當基站處于壓縮模式的時候，起到主要的協(xié)調作用?？芍貥嬘布饕瓿芍T如擴頻接收、解擴以及編譯碼等處理。原則上將運算量大、實時性高的部分放到硬件中完成（例如CHIP級的處理），而將靈活的部分放到軟件中實現(xiàn)（例如SYMBOL級的處理），這種方法可以大大縮短設計的周期，提高設計的靈活性。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處理單元的信號，并根據(jù)信號計算出信號功率，調整AGC的控制信號；對接收信號進行小區(qū)搜索、相位搜索、解調、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)搜索分三步進行：第一步：時隙同步小區(qū)搜索模塊對小區(qū)的主同步信道（Primary SCH ）進行搜索。這個步驟的主要目的有兩個：一是對移動臺的時鐘模塊的基準頻率進行粗調，減小移動臺與基站之間的頻差；二是使移動臺獲得與最強基站的時隙同步。圖5 PSCH搜索頂層框圖對PSCH的搜索步長為1/2個chip。圖中兩個1/2碼片搜索器的結構是相同的：由一個1/2碼片匹配濾波和一個FIFO緩沖累加器組成。兩個部分聯(lián)合起來，可以實現(xiàn)對每一個相位點的測量。圖6 1/2碼片搜索器的結構框圖第二步：擾碼碼組識別和幀同步小區(qū)搜索模塊對基站的第二同步碼進行處理。其使用的相位得自第一同步碼。此步的功能是使移動臺實現(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：擾碼識別小區(qū)搜索模塊對公用導頻信道進行運算相關，完成小區(qū)主擾碼的確定工作。圖8 PCPICH解調單元頂層框圖小區(qū)搜索完成之后，移動臺將不斷地對此時的信道環(huán)境作比較系統(tǒng)的評估，得到各個路徑的位置和延時擴展的參數(shù)。在對信道環(huán)境進行詳細的評估的過程中，移動臺可以根據(jù)各個路徑的頻差更加合理地調整時鐘模塊的頻率，并得到基站是否使用前向發(fā)送分集的判斷。不論移動臺處于待機狀態(tài)還是處于通信狀態(tài)，小區(qū)搜索模塊時刻都在對信道環(huán)境進行評估，一旦發(fā)現(xiàn)本小區(qū)信號的信噪比低于相臨小區(qū)的信噪比并滿足切換策略的時候，就可以進入切換流程。當移動臺在通信狀態(tài)進行切換的時候接收機使用宏分集技術對前向信號進行解調。這樣在切換的時候不易掉話：由于WCDMA技術可以區(qū)分無線電波不同的到達路徑，所以接收機采用RAKE接收機。在RAKE接收機中要對不同徑的信號進行解調并進行合并。不同徑的信號幅度，相位不同，而且隨著移動臺的位置變化，不同徑的信號幅度，相位會發(fā)生變化，甚至這個徑的信號會消失，或者產(chǎn)生新的多徑信號，因此需要在解調之前搜索到足夠多的徑參加解調。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，因此是用同一個主擾碼組中的8個不同主擾碼來對PCPICH進行相關，選出相關能量最大值，從而確定小區(qū)使用的主擾碼，識別基站的身份。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，需要知道的是各個徑的偏移量，因此是用主擾碼的不同相位來對接收信號進行相關運算，得到若干個能量最大的位置。圖9 PCPICH搜索框圖碼片相位點進行搜索，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行排序，排序的結果送到搜索結果寄存器，由CPU讀取。圖10 每路搜索器框圖 能量計算單元完成對PCPICH的能量計算和存儲。從匹配濾波器送出的數(shù)據(jù)直接存儲到中間結果存儲器中，經(jīng)過累加長度1次的累加之后，n個數(shù)據(jù)送往每個相位點的能量計算單元進行能量計算，得到的結果送往第2次累加結果存儲器按照累加長度2寄存器的設定的長度進行第2次累加。最后的能量結果送往能量排序單元進行排序。圖11 能量計算單元框圖匹配濾波器的結構如圖所示：圖12 匹配濾波器框圖：由于前向信道中包含公用導頻信道，所以在WCDMA前向信道中使用相干解調技術。另外由于WCDMA技術可以區(qū)分無線電波不同的到達路徑，所以接收機采用RAKE接收機。在RAKE接收機中，對不同路徑采用最大比合并，從而得到最佳的解調結果。 A、RAKE接收機：圖13 接收機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finger,經(jīng)過解調的數(shù)據(jù)和合并信息一起送到合并單元。每一個finger都有一個控制使能端，由CPU控制該finger是否參加解調。B、每個finger的結構：圖14 每個徑的結構框圖每一個finger，對應于不同的徑。不同徑的識別是由搜索器完成的，搜索器搜索可能的路徑，將每個徑的偏移量和能量送往CPU,CPU將能量最大的6個徑的偏移量送給RAKE，進行解調。RAKE的每個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)生給本徑解調使用的碼字。這個相位偏移控制的初始值是由搜索器給出，以后由EarlyLate環(huán)路進行跟蹤，使本finger能連續(xù)跟蹤本條徑的變化，當徑的變化超出了EarlyLate環(huán)路的跟蹤能力之后，該finger就不再解調這條徑，由CPU重新分配一條新的徑給這個finger。C、每徑的解調：圖15 每一徑的解調框圖D、信道估計與最大比合并：在WCDMA系統(tǒng)的前向信道，存在一個PCPICH信道，用于CPCH及DPCH的信道估計、路徑搜索、在切換檢測時進行功率測量；還存在一個專用導頻符號（pilot），用于在前向鏈路閉環(huán)功率控制時的功率測量、前向閉環(huán)傳輸分集的天線確認，DPCH的信道估計。 同時使用兩種方法進行信道估計、功率估計可以降低傳輸功率。但考慮到多譜勒頻移，目前只使用PCPICH信道進行信道估計。完成信道估計之后，進行最大比合并：根據(jù)各徑信號的強度對信號進行加權，信號強者放大量大。加權系數(shù)與各徑的信號強度成正比，即。從而使合并后的信號的信噪比最大。 圖16 數(shù)據(jù)信道解調框圖E、EarlyLate環(huán)路：圖17 EarlyLate環(huán)路實現(xiàn)框圖I,Q兩路數(shù)據(jù)同時送到Early，Late和當前三個支路，Early支路的擾碼和OVSF碼比數(shù)據(jù)提前半個碼片，Late支路的擾碼和OVSF碼比數(shù)據(jù)滯后半個碼片，分別進行導頻的解擴，計算出Early,Late和當前支路的能量，如果當前支路的能量小于跟蹤鎖定門限，則該finger的跟蹤已經(jīng)無法進行，表明本條徑無法參加解調，如果當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去調整擾碼和OVSF碼的相位偏移量。對Early,Late和當前支路來說，解擴單元的結構是相同的，不同的是擾碼和OVSF碼的初始相位不同。圖18 導頻解擴單元框圖：在移動臺側，對于RAKE接收機解調的信號，要首先進行業(yè)務解復用的過程。此步驟將不同的業(yè)務分開。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。解復用器完成對SSR輸出數(shù)據(jù)解復用、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，采用標準Viterbi譯碼算法，支持384K業(yè)務，并在譯碼同時完成進行CRC校驗；Turbo碼譯碼器負責完成Turbo碼譯碼功能，采用Log_MAP算法，對硬件實現(xiàn)結構進行優(yōu)化。在譯碼器中完成CRC校驗，同時考慮使用譯碼提前結束方法。譯碼結果由DSP讀出，上報主控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部分：專用物理信道部分和隨機接入信道部分。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)復用交織。復用之后的數(shù)據(jù)放入專用物理數(shù)據(jù)信道，導頻比特、TFCI、功率控制命令和反饋指示放入專用物理控制信道。隨后將這兩個信道的數(shù)據(jù)擴頻后發(fā)送到混合信號處理模塊。WCDMA系統(tǒng)向用戶提供包含傳統(tǒng)的語音業(yè)務和當前流行的多媒體業(yè)務在內的多種業(yè)務。不同的業(yè)務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。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)務對誤碼率和QOS（服務質量）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)送流程實現(xiàn)方案結構圖所示：圖21 發(fā)送單元框圖編碼器結構如下圖所示：圖22 卷積編碼器框圖圖23 Turbo碼編碼器框圖 混合信號處理單元混合信號處理單元的主要功能為數(shù)字信號到模擬信號的轉換以及模擬信號到數(shù)字信號的轉換。主要包括幾個方面的功能：將下行鏈路基帶接收I/Q模擬信號變換為數(shù)字信號；將上行鏈路基帶發(fā)送I/Q數(shù)字信號變換為模擬信號；根據(jù)基帶要求，將自動增益控制AGC數(shù)字信號變換為模擬信號，用以控制射頻模塊接收信號的增益；自動頻率控制AFC。將自動頻率控制AFC數(shù)字信號變換為模擬信號用以控制時鐘部分的壓控振蕩器。AFC單元：圖24 信道估計和頻差估計單元結構框圖圖25 每一徑的信道估計和頻差估計單元的實現(xiàn)框圖圖26 頻差輸出單元框圖圖27 自動頻率控制環(huán)路結構框圖 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)字信號轉換為模擬信號，送往射頻調制；ADC用于將來自射頻模塊的I和Q支路的模擬信號轉換為數(shù)字信號，進入基帶接收單元。這部分IP核可以從臺灣聯(lián)電獲得。 GSM/GPRS數(shù)字基帶處理模塊首信集團（見附件《首信集團簡介》）是中國國家經(jīng)濟貿易委員會確定的520戶國家重點企業(yè)之一，一直是中國通信制造業(yè)的龍頭之一。星河亮點公司此次與首信集團簽訂了廣泛的合作協(xié)議，從模塊提供到產(chǎn)業(yè)化等各個方面建立合作，為振興民族企業(yè)，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展而共同努力。首信集團的GSM/GPRS模塊已經(jīng)在其產(chǎn)品中得到了廣泛的使用，是非常成熟的技術及產(chǎn)品，這部分技術可以從首信集團獲得。 處理機單元處理機單元的主要功能是完成移動臺的協(xié)議和應用部分的工作，也即L2和L3的功能。星河亮點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，我們選用的C*CORE處