DSP在第三代移动通信系统中的应用

DSP在第三代移动通信系统中的应用
    摘要随着数字信号处理技术（DSP）的迅速发展，其应用范围不断扩大。第三代移动通
信已成为当前移动通信发展的热点问题，其基本要求是研制开发出体积小。重量轻、价格低
的移动通信设备。本文主要介绍DSP在第三代移动通信系统中的应用和最新发展动态。
    关键词数字信号处理第三代移动通信系统
    随着数字信号处理（DSP）技术的迅速发展，其应用范围正不断扩大，在许多应用中，
利用该技术可以在一块芯片上建立整个系统。从前，在系统中实现不同的功能需要有不同的
芯片，而现在只要用一片DSP芯片，就可完成各种不同的任务。虽然目前在执行单项功能时，
固定功能设备的效率更高，但当逐步增添设备功能时，通用DSP设备会显示出巨大的优越性。
软件升级可使系统结构更加灵活，只要升级下载程序，无需重构电路，就可实现新的功能。
由于卓越的灵活性和通用性，数字信号处理技术正作为长期服务手段不断发展，并为新一代
技术和标准的建立铺平道路。
    近年来移动通信发展迅猛，自力年代末期模拟蜂窝系统问世以来，不到二十年时间，已
经发展到以数字化技术为特征的第二代移动通信。进入90年代以后，世界各国已着手探寻第
三代移动通信（即未来个人通信）的实现路径。
    第三代移动通信标准有两个主要目标：（1）实现多媒体、宽带化、智能化和高质量的
全球通信；（2）规范寻呼、无绳、蜂窝和低轨道卫星在内的多种标准，统一“空中接口”。
IMT 2000将宽带 CDMA视为优先考虑的方案，但在频分模式的选择上，欧洲建议从GSM过渡，
北美建议向CDMA发展，日本则力求与欧洲靠近。
    对于移动通信设备来说，要统一“空中接口”，主要的挑战来自：研制高性能芯片及其
制造技术；提高射频集成电路的集成度、开发单片微波集成电路（MMIC）和超级芯片（MBIC
）；研究软件无线电技术等。
    在未来十年，移动通信设备仍将是数字信号处理器的最大用户。据ABI保守预测，到200
3年，仅基站一项，就需要用500万片数字信号处理器。
1 DSP产品的主要特点
   （1）速度快
    为了适应数字信号处理的需要，目前的数字信号处理器（DSP）都设置了硬件乘法／累
加器，大都能在单个指个周期内完成乘／累加运算。目前DSP的运算速率已达每秒千万次乃
至数十亿次定点运算或浮点运算。
    为了满足快速傅里叶变换。卷积等数字信号处理的特殊要求，目前的DSP大多在指令系
统中设置了“循环寻址”、“位倒序”指令和其他特殊指令，以致寻址、排序和计算速度
大大提高。
    高速数据传输能力是DSP作高速实时处理的关键之一。新型的DSP大多设置了单独的DMA
总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下，作并行数据传送，传送速
率可达数百字节，主要受片外存贮器速度的限制。
   （2）在结构上提高并行性
    随着应用的日益广泛，DSP已成为许多高级设计不可缺少的组成部分，因此DSP厂商的
投资主要集中于DSP体系结构、智能化程度更高的编译程序、更好的查铝工具和更多的支持
软件。
    最明显的结构改进在于提高“并行性”，即在同一个指令周期内，DSP能完成多项操
作。新型DSP的发展方向，是在提高单片DSP性能的同时，在结构设计上十分注重为多处理
器的应用提供方便。
   （3）设置仿真模块或仿真调试接口
    DSP系统设计和软件开发往往需要相当规模的仿真调试系统，包括在线仿真器、电缆、
逻辑分析仪以及其它测试设备。在多处理器系统中，这个问题尤为突出。为了方便用户的
设计和调试，许多DSP片上均设置了仿真模块和仿真调试接口。
   （4）低功耗
    DSP处理速度越来越高，功能越来越强，但随之而付出的代价是功耗越来越大。因此
低工作电压和低功耗已成为DSP性能表征的重要技术指标之一。
   （5）高集成度
    随着专用集成电路的广泛应用，迫切要求将DSP的功能集成到专用集成电路（A－SIC）
中。为了顺应这种发展，并更进一步开拓DSP市场，各DSP生产厂家相继提出了DSP核的概
念，并推出相应产品。一般情况下，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配以按照客户
需要所选择的存贮器和外设，组成用户的ASIC。DSP核概念的提出与技术的发展，使用户
能通过DSP厂家的专业技术，实现自己的设计，从而提高ASIC的水准，大大缩短产品的上
市时间。
   （6）不断完善开发环境和支持软件
    随着专用集成电路（ASIC）技术的发展和DSP应用范围的迅速扩大，一些EDA公司也
将 DSP的硬件和软件开发纳入 EDAI作站的工作范畴，陆续推出了一些大型软件包，为用
户自行设计所需的DSP芯片和软件提供更好的环境。
2 DSP在第三代移动通信系统中的应用
   （1）高性能DSP
    第三代移动通信要求DSP的运算速度至少达到300MIPS，才能实现各种繁杂的算法、
解压缩和编译码。目前，DSP在功能上趋向实现多个MAC和多个寄存器，更宽的程序总线
和数据总线；在结构上趋向采用单指令多数据（SIMD）、多指令多数据（MIMD）和超长
指令（VLIW）。TMS320C67X是第六代VIIW结构的DSP产品，浮点运算速度达IGFLOPS。TI
公司计划在2000年，将C67X系列的浮点运算速度提升到3GFLOPS，届时用一片C67X，就可
完成10片普通DSP的工作，而其单价与市面上普通浮点DSP的价格相当。C67X功能之强大，
足以为下一代个人通信提供高速、精确、多功能和多信道的解决方案。
    过去，DSP一般采用高级C语言。为了适应将来无线访问Internet网络和多媒体业务
的需要，1997年10月，TI从Sun公司得到授权，获准将Personal Java语言嵌入到DSP中。
Personal Java是一种适合个人网络连接和应用的Java环境，基于该环境的个人通信系统，
可以从网络和Internet上下载数据和图像。另外，TI还研究开发符合MPEG－4（待定）无
线解压缩标准的DSP。
    为了研究开发适合下一代无线宽带应用的高性能DSP核，Motorola和Iucent于1998年
6月签署了DSP联盟协议，双方将合作在亚特兰大设立一个称为StarC0re的设计中心，同
时就现有DSP技术进行交互授权。StarCore设计中心将于 1999年完成第一个DSP核设计，
并逐步把 Motorola的 M.Core微处理器技术过渡到下一代高速DSIP核中。到2003年，真
正实现低功耗、多信道和实时嵌入控制。Motorola最近将16位DSP56600数字信号处理器
和32位M.Core微处理器集成为单片型 DSP 56652，开创了双核DSP之先河，该芯片的工
作电压仅为1.8V，可满足TDMA基带信号处理的需要，同时该芯片又是为Motorola下一代
Nextel移动电话而设计的。
    个人移动电话（无论是GSM还是CDMA）和下一代个人通信业务系统的硬件都是由基
带单元和射频单元两大部分组成。目前无线通信的基带单元已从通用DSP加CPU发展到以
DSP和CPU为核，建立专用基带芯片组。自1996年基带芯片专用化以来，到1998年，基带
芯片组的数目已从3块变为2块。
   （2） 提高射频集成电路的集成度
    射频集成电路的集成有两个方向：（1）纵向发展，将接收机从接收混额直到零中
频的电路尽可能设计在一块芯片上；（2）横向发展，将收发信机中相近频率范围的电
路全部集成到一个模块上。在射频单元信号处理方面，还有一个新动向是向DSP技术转
移。DSP作为关键器件，将不断融合射频信号处理，特别是I／Q解调和调制、信道滤波
等。
    DSP的控制领域将越来越接近射频前端，最终将其集成在内。Lucent计划在1999年，
将模拟 Uhura DSP与数字 Speck DSP集成在一片称为 Kirk的 DSP中，到 2000年，再
将射频前端集成到Kirk中，最终制成一块BROG超级芯片（MBIC）。
   （3）软件无线电技术
    对于第三代移动通信系统，争论最多的还是无线传输体制问题。目前具有代表性传
输体制的系统主要有三个：（1）以欧洲为代表的基于GSM系统的TDMA系统，（2）以北
美为代表的基于窄带IS-95的CDMA系统，（3）以日本为代表的宽带 CDMA系统。根据目
前的发展，由于受利益驱使和应用场合的限制，全世界的无线移动个人通信不可能统一
到一种体制上。在不同场合，不同体制有其固有的优越性，其它体制无法代替，因此不
同体制的互联性已成为一个重要讨论课题，多种体制并存是未来无线通信系统的必然趋
势。
    软件无线电通过对模拟和数字硬件功能的软件化，达到提高业务质量和信道接入灵
活性的目标。在标准的兼容性、技术接人和经济性之间，软件无线电能够很好地折衷，
是实现不同多址接入方式兼容的最佳方案。通过软件无线电技术对多种体制进行综合，
开发出新一代的多模移动通信手机，实现一机在手漫游天下的设想，已成为第三代移动
通信的发展方向。
    软件无线电利用DSP的强大处理能力和软件的灵活性，实现多种通信协议的兼容，
进行信道分离、解调和信道编译码等。例如在同一硬件上，可以用不同的软件处理数字
压缩的话音（如 GSM）或模拟调频话音（如AMPS）。软件无线电技术的发展和实用取决
于高速集成电路，如 DSP、模／数、数／模的技术发展情况。
    为了达到最大的灵活性，人们希望在天线输入／输出端和终端模拟输入／输出接口
进行模／数变换（ADC）和数／模变换（DAC)，由DSP完成其间所有的处理任务，只要更
改下载软件就可以满足用户需要。由于多方面原因的限制，目前软件无线电技术采用中
频数字化较为有利。
    目前先进的可编程DSP大约可提供数百到上千MIPS的运算速度。实时软件无线电系
统基带以下部分完全可由DSP实现，但目前的DSP仍然不能直接进行通用中频数字信号处
理，所以一般考虑把中频下载到专用的数字硬件上，使处理负载减少到软件可以实时处
理的水平。
    在实际应用中，由于可用DSP芯片的限制，以及保证系统工作稳定性所造成的冗余
度，在目前使用软件无线电技术的基站系统中，往往采用多处理器的硬件结构。
    值得注意的是，最近推出了片内集成多个处理器的新型DSP芯片，其结构是将一个
通用的  CPU核与一个或多个专用的DSP并行单元集成在同一芯片上。例如 TI公司的TMS
320C80集成了1个RISC核与4片C40，Motoerola公司即将推出的矢量通信处理器中包含了
一个 Power PC的 RISC核和高性能的矢量处理单元阵列。这种高集成度使并行算法的效
率大大提高，从而可以有效地利用信号处理带宽，达到以往需要多处理手段或专门功能
的ASIC芯片才能实现的各项功能。此外，这种结构的DSP芯片完全可编程，当相关的通
信标准更新引起软件算法改变时，无需重新设计，也不用更换ASIC芯片。应该说这种DSP
处理器性能的突破，使我们向软件无线电迈进了关键的一步。
3 结束语
    目前，我国的移动通信市场已突破2000万用户，据保守预测，本世纪末可达到4000
万户，因此对振兴我国的民族通信产业具有巨大的经济和社会效益。
    去年我国的移动通信制造业已出现重大转折，不仅可以供应国内市场，而且还可出
口，但与国际大牌公司相比，还有很大差距。因此国内不少专家呼吁，应大力发展第三
代移动通信，建立我国的移动通信产业，而这在很大程度上取决于第三代移动通信芯片
解决方案的实现。
    目前第三代移动通信（3G）标准还未最后定出，因此市面上没有3G芯片供应，但国
际上许多半导体供应商已不断推出各种功能强大的专用芯片。相信未来3G市场的前景广
阔，无论是增长速度，还是市场规模，都将盛况空前，所以移动通信市场真正的腾飞还
在后头。