利用優(yōu)化的DSP加快無線基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計方案

為基站定制的數(shù)字信號處理器以及為針對無線通信設(shè)施（CI）設(shè)計的其它類型系統(tǒng)定制的數(shù)字信號處理器通常是市場中速度最快且功能最強(qiáng)大的處理器。但是如果CI系統(tǒng)開發(fā)工程師只考慮raw兆赫，那么他可能會遺漏針對CI優(yōu)化的DSP的一些最關(guān)鍵的特征，這些特征會降低總系統(tǒng)成本、簡化軟硬件設(shè)計、使設(shè)計未來幾年都不過時，并提高其它重要的性能測量標(biāo)準(zhǔn)。最終，對于設(shè)備制造商及其用戶以及服務(wù)提供商而言，通過通用DSP選擇針對CI應(yīng)用優(yōu)化的DSP會產(chǎn)生相當(dāng)大的回報。
　　多樣化要求靈活性
　　在實(shí)踐層面上，CI市場的多樣化和流動性特點(diǎn)要求設(shè)備制造商在其基本架構(gòu)中進(jìn)行高靈活度的設(shè)計。例如，全球基站制造商必須提供能夠支持GSM、CDMA、UMTS、EDGE、中國的TD-SCDMA等各種空中接口的系統(tǒng)。此外，現(xiàn)在正在引進(jìn)范圍更廣的形狀因子。一個尺寸的基站不再是萬能的。即將上市的最新配置為所謂的“femto”基站，這個基站很小，足以充當(dāng)家用無線基站。除了femto基站之外，pico、macro和super-macro等形狀因子在如今也很流行。能夠劃算地縮放至任何形狀因子的基站架構(gòu)一定會使設(shè)備制造商獲得回報。對于可擴(kuò)展性而言，針對CI優(yōu)化的DSP比通用DSP更具優(yōu)勢，這是因?yàn)镃I DSP通常包括RapidIO等高可擴(kuò)展性高速串行接口。
　　板級架構(gòu)問題還隨著制造商的不同以及CI系統(tǒng)類型的不同有著很大不同。事實(shí)上，特定基站中的單個電路板可以充當(dāng)截然不同的角色。一些板可能專門用于接收信號，而另一些板則用來發(fā)射信號。同一個系統(tǒng)中的另一個板可能執(zhí)行系統(tǒng)級操作管理和網(wǎng)絡(luò)控制。由于這種廣泛的功能范圍，因此系統(tǒng)內(nèi)部電路板拓?fù)淇赡芟嗖詈艽蟆?a target='_blank' class='arckwlink_none'>環(huán)形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀架構(gòu)、交換結(jié)構(gòu)、星形和其它拓?fù)湓跇I(yè)內(nèi)都很普遍。
　　覆蓋在所有這些可變因素之上的是新特性、新功能和新業(yè)務(wù)的持續(xù)不斷的發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展。沒有一定程度的適應(yīng)性，新的基站設(shè)計可能在引進(jìn)之后很快就過時。與比較適合通用信號處理的普通DSP不同的是，專門針對基站和其它CI系統(tǒng)優(yōu)化的DSP將具有確保其適應(yīng)不同的空中接口、形狀因子、盒級架構(gòu)和板級架構(gòu)以及正在進(jìn)行的開發(fā)的能力。
　　DSP適者生存
　　通過優(yōu)化其適應(yīng)性，DSP在如今的CI市場中重獲新生。例如，可編程CI DSP具有支持?jǐn)?shù)種空中接口的能力。由此，工程師可以側(cè)重于學(xué)習(xí)一個或者一系列的復(fù)雜DSP，而不是對每個空中接口采用不同的DSP，從而簡化了設(shè)計制造商的新產(chǎn)品開發(fā)過程。此外，在幾個基站平臺中兼容的DSP技術(shù)可以簡化制造商的技術(shù)支持和現(xiàn)場服務(wù)工作。
　　此外，DSP上的輸入/輸出資源對形狀因子、可擴(kuò)展性及其能夠有效支持的架構(gòu)范圍還有著較深的影響。與許多通常配備以太網(wǎng)和PCI Express等通用外圍接口的現(xiàn)成的DSP不同的是，針對CI優(yōu)化的DSP附帶串行RapidIO這樣的高速串行接口，這種接口可以用作直接的DSP到DSP互連或芯片到芯片互連，也可以用作背板總線。由于其固有的靈活性和高吞吐率，開放式標(biāo)準(zhǔn)RapidIO總線正日益成為下一代基站和其它CI系統(tǒng)中的關(guān)鍵能力。RapidIO互連由兩個或四個串行線路差分對組成，每個差分對的數(shù)據(jù)速率為3.125Gbps，而總潛在吞吐率超過12Gbps。由于配置RapidIO串行線路的靈活性，平臺的基本能力可以輕松地通過增加多個DSP來向上擴(kuò)展，各種架構(gòu)也可以通過重排串行芯片到芯片互連來進(jìn)行配置（如圖2所示）。
　　除了包含RapidIO這樣的高速外圍接口之外，用于CI應(yīng)用的DSP還包含選擇的加速器和協(xié)處理器，這些通常是你在現(xiàn)成的DSP中無法找到的。這些協(xié)處理器釋放了DSP內(nèi)核以執(zhí)行其它功能。一般的DSP沒有這些無線加速器，因此將性能級別較低，并且耗費(fèi)更多的處理周期并需要更多的代碼來執(zhí)行其功能。
　　像OBSAI/CPRI這樣的其它類型的高速接口通常無法在現(xiàn)成的DSP中找到，但是這些接口將在CI應(yīng)用中變得越來越重要，這是因?yàn)樗鼈兲岣吡税迳螪SP的適應(yīng)性，同時增強(qiáng)了系統(tǒng)吞吐能力。這些接口主要用于將天線接口數(shù)據(jù)連接至DSP以進(jìn)行基帶處理。
　　不斷攀升的性能挑戰(zhàn)
　　越來越多的新無線用戶要求設(shè)施系統(tǒng)不斷提高語音和數(shù)據(jù)流量的性能級別。多年的DSP技術(shù)進(jìn)步已使系統(tǒng)設(shè)計工程師可以僅僅通過給基站電路板增加更多DSP來提高性能。遺憾的是，這種策略有其局限性。電路板上的物理空間限制了板上可以放置的DSP數(shù)，同一個電路板上有過多DSP可能引發(fā)由功耗導(dǎo)致的散熱問題。基站緊湊的機(jī)架中的高溫會迅速降低電子器件的可靠性。
　　與其它多核DSP處理器不同的是，CI應(yīng)用專用的多核DSP加入了節(jié)能機(jī)制，可以最大限度地降低散熱。這就允許相同的空間具有更高的吞吐性能，并且可以降低系統(tǒng)過熱的風(fēng)險。此外，專為CI系統(tǒng)設(shè)計的一些DSP還附帶功率和性能監(jiān)控功能。
　　DSP芯片本身可以控制系統(tǒng)的工作溫度，并且無需犧牲吞吐性能，它可以降低其內(nèi)核電壓以減少功耗和散熱。這就使得CI DSP可以在以預(yù)定的性能級別工作的同時保持總功率預(yù)算在控制范圍內(nèi)。
　　此外，還有一些CI DSP具有片上協(xié)處理器，其中的某些協(xié)處理器可以執(zhí)行非常特殊的無線通信任務(wù)。例如，用于語音處理的Viterbi協(xié)處理器正在證明它們非常有用，面向數(shù)據(jù)的協(xié)處理器可以加快數(shù)據(jù)流量。通過從主DSP內(nèi)核卸載這些任務(wù)，協(xié)處理器能夠提高器件的數(shù)據(jù)吞吐率，同時為更多的重要功能保留內(nèi)核DSP資源。此外，專用協(xié)處理器還執(zhí)行像某些空中接口的接收加速這樣的功能。其中一種這樣的接收加速器接受W-CDMA天線信號，并對數(shù)據(jù)執(zhí)行大量相關(guān)處理，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給DSP。
　　隨著專用協(xié)處理器功能集成到CI DSP中，需要分立器件執(zhí)行這些任務(wù)的要求已經(jīng)減少了。例如，在許多基站設(shè)計中，ASIC或FPGA一般在DSP旁邊部署，以處理輔助任務(wù)。在某些情況下，針對CI優(yōu)化的DSP可以執(zhí)行這些任務(wù)，因此降低了芯片數(shù)和總系統(tǒng)成本。將這種趨勢進(jìn)一步延伸，針對CI應(yīng)用的一些DSP已進(jìn)行優(yōu)化以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制工作，從而不再需要一般專用于這些功能的通用微處理器或者RISC處理器。
　　快速的軟件方式
　　專門針對CI應(yīng)用的DSP的軟件環(huán)境和架構(gòu)對系統(tǒng)的吞吐性能、總開發(fā)成本和上市時間也有著極大的影響。新的或者增強(qiáng)的指令一般被集成到CI DSP中，以獲得特定于無線通信的某些重復(fù)功能。例如，新的指令集架構(gòu)（ISA）可以通過加快其符號率、芯片速率和矩陣算術(shù)處理來提高基站中的DSP性能。先進(jìn)的ISA還可以通過實(shí)現(xiàn)密度更高的電路板來降低系統(tǒng)的每通道成本。有效的ISA可以降低系統(tǒng)軟件代碼的大小，從而減少專用于外部存儲器的板空間，或者為關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)釋放存儲容量（如圖3所示）。通用DSP的確可以通過編程來執(zhí)行通信功能，但是如果沒有特定于CI的ISA，與具有CI ISA的經(jīng)過優(yōu)化的DSP相比，在一般DSP上運(yùn)行的相同功能將需要3~4倍的指令、更多的代碼空間和更長的編程時間。
　　除了針對CI應(yīng)用的ISA之外，一些供應(yīng)商還提供專門針對DSP優(yōu)化的CI功能例程庫。通過一個命令，這些例程可以執(zhí)行以前需要單獨(dú)執(zhí)行的多個功能，同時又減少了代碼大小并且提高了性能。
　　一代CI DSP與下一代CI DSP之間的軟件連貫性也對開發(fā)周期和新CI系統(tǒng)的上市時間有極大影響。為了維持合理的開發(fā)成本，一個DSP的多數(shù)軟件必須進(jìn)行遷移并在下一代器件中重復(fù)使用。
　　針對CI進(jìn)行優(yōu)化
　　由于CI市場的各種錯綜特征、復(fù)雜性和特別要求，大多數(shù)通用DSP都不再是無線基站等應(yīng)用中針對CI優(yōu)化的DSP。在要求較高的設(shè)施系統(tǒng)中部署現(xiàn)成的DSP將需要制造商額外的設(shè)計工作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)上市時間的延長。但是同樣重要的是，它們還可以通過適當(dāng)?shù)募铀倨?、高速?nèi)部內(nèi)存、通信協(xié)處理器、復(fù)雜的CI特定軟件和許多其它功能提供一組完整的外圍接口和內(nèi)存接口，從而精簡系統(tǒng)開發(fā)過程并加快高吞吐能力系統(tǒng)的交付。
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