基帶芯片架構(gòu)及驗(yàn)證研究

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 潘應(yīng)進(jìn)

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基帶芯片架構(gòu)及驗(yàn)證研究

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 潘應(yīng)進(jìn)

【摘要】結(jié)合2G、3G再到LTE和衛(wèi)星通信，對(duì)基帶芯片的發(fā)展進(jìn)行了研究，介紹了基帶芯片的主要功能，總結(jié)了基帶芯片的基本架構(gòu)。結(jié)合基帶芯片的架構(gòu)提出了其驗(yàn)證的基本需求和策略。

【關(guān)鍵詞】基帶芯片；衛(wèi)星通信；架構(gòu)；驗(yàn)證

1　基帶芯片功能概述

基帶芯片是整個(gè)手機(jī)的核心部分，用來合成即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或者對(duì)接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行解碼。基帶芯片可分為五個(gè)部分：CPU處理器、信道編解碼、數(shù)字信號(hào)處理器、調(diào)制解調(diào)器和接口模塊。CPU處理器對(duì)整個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制和管理，包括定時(shí)控制、數(shù)字系統(tǒng)控制、射頻控制、省電控制和人機(jī)接口控制等。若采用跳頻，還應(yīng)包括對(duì)跳頻的控制。同時(shí)，CPU處理器完成終端所有的軟件功能，即通信協(xié)議的layer1（物理層）、layer2（數(shù)據(jù)鏈路層）、layer3（網(wǎng)絡(luò)層）、MMI（人-機(jī)接口）和應(yīng)用層軟件。信道編碼器主要完成業(yè)務(wù)信息和控制信息的信道編碼、加密等。數(shù)字信號(hào)處理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于規(guī)則脈沖激勵(lì)-長期預(yù)測技術(shù)（RPE-LPC）的語音編碼/解碼。調(diào)制解調(diào)器主要完成通信系統(tǒng)所要求的高斯最小頻移鍵控調(diào)制/解調(diào)方式。

2　基帶芯片架構(gòu)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基帶芯片不僅發(fā)展迅速，而且各式各樣。從2G、2.5G、3G到4G，再到5G，基帶芯片在功能上經(jīng)歷了從單模到雙模，再到多模的演變，在結(jié)構(gòu)上也經(jīng)歷了從MCU+DSP的雙核結(jié)構(gòu)到ARM+多DSP或者多ARM+多DSP的多核結(jié)構(gòu)的發(fā)展。但無論是單模還是多模，雙核還是多核，基帶芯片都要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：通信和應(yīng)用，其中通信部分又包括基帶信號(hào)處理和協(xié)議棧。其中協(xié)議棧要求是實(shí)時(shí)的，應(yīng)用部分則無需實(shí)時(shí)。因此，是否將協(xié)議棧和應(yīng)用部分分到不同的處理器去運(yùn)行，以及選擇什么樣的操作系統(tǒng)，都會(huì)影響基帶芯片的基本架構(gòu)。

傳統(tǒng)的基帶芯片的基本架構(gòu)[1]采用的是ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)。ARM完成協(xié)議棧的處理，DSP完成基帶信號(hào)的處理，ARM與DSP之間由一個(gè)雙口的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器連接。

LTE基帶芯片的基本架構(gòu)[2]采用了多ARM+多DSP的結(jié)構(gòu)，涉及到編解碼、信道估計(jì)、信道均衡、同步與測量算法。由于LTE對(duì)不同帶寬的支持，所以帶寬的不同對(duì)以上參數(shù)均有動(dòng)態(tài)的影響，進(jìn)一步增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

我國第一代衛(wèi)星通信基帶處理芯片的采用了雙CPU+DSP+硬件加速器的結(jié)構(gòu)，包含三個(gè)部分：協(xié)議層子系統(tǒng)、物理層子系統(tǒng)和IP子系統(tǒng)。協(xié)議層子系統(tǒng)完成協(xié)議的層二層三的協(xié)議處理，同時(shí)，完成與應(yīng)用處理的交互，完成對(duì)物理層的控制和數(shù)據(jù)交互。協(xié)議層物理子系統(tǒng)除協(xié)議功能外，還負(fù)責(zé)控制整個(gè)芯片的工作，包括復(fù)位、啟動(dòng)、工作等。物理層子系統(tǒng)完成協(xié)議的層一的協(xié)議處理，主要是上行數(shù)據(jù)的編碼、調(diào)制、加密等，下行數(shù)據(jù)的同步、解調(diào)、解密、譯碼等。IP子系統(tǒng)完成芯片的輔助控制功能和外設(shè)連接功能。

隨著通信要求的不斷提升，基帶芯片的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即所有的基帶芯片都是基于某一總線架構(gòu)的，總線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同IP的互連和通信。另外，雖然目前業(yè)界使用的總線架構(gòu)五花八門，但從上述內(nèi)容可以看出，對(duì)通信基帶芯片而言，無論是最早的2G、3G，還是現(xiàn)在的4G和5G，甚至是衛(wèi)星通信，最常用也是性能最好的總線架構(gòu)仍然是ARM公司的AMBA總線。

3　基帶芯片的驗(yàn)證

基帶芯片的驗(yàn)證經(jīng)歷了從傳統(tǒng)驗(yàn)證方法到驗(yàn)證方法學(xué)的演進(jìn)過程，與傳統(tǒng)驗(yàn)證方法相比，驗(yàn)證方法學(xué)[3]的問世大幅的提升了驗(yàn)證的質(zhì)量值效率，但也由于性能的增強(qiáng)，使用也更加繁瑣。但隨著基帶芯片復(fù)雜度的不斷提升，驗(yàn)證的需求也越來越多，主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

（1）隨機(jī)的激勵(lì)產(chǎn)生方式。芯片復(fù)雜度的提升使得待測功能點(diǎn)的持續(xù)增加，傳統(tǒng)的定向測試已經(jīng)無法滿足需求，需要隨機(jī)的激勵(lì)，增強(qiáng)對(duì)測試空間的覆蓋程度。

（2）功能覆蓋率的收集。使用了隨機(jī)激勵(lì)，就必須要有功能覆蓋率的支持，否則無法準(zhǔn)確的判斷功能點(diǎn)的覆蓋情況。

（3）驗(yàn)證平臺(tái)的可重用性。面對(duì)激烈的競爭市場，要求芯片的設(shè)計(jì)周期大幅縮短，這樣也就縮短了驗(yàn)證平臺(tái)在單個(gè)芯片上的使用周期，因此，增強(qiáng)驗(yàn)證平臺(tái)的可重用性，縮短新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期。

（4）驗(yàn)證結(jié)果的自動(dòng)化檢查。要想大幅的縮短驗(yàn)證周期，傳統(tǒng)的人工檢查驗(yàn)證結(jié)果的方式顯然不足取，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)化的結(jié)果檢查機(jī)制，減少人為的干預(yù)，不僅能提高驗(yàn)證的效率，還能提高正確性。

從這些需求來看，簡單的傳統(tǒng)驗(yàn)證顯然已無法滿足，需要研究更為高效的驗(yàn)證方法，綜合驗(yàn)證方法的發(fā)展，驗(yàn)證方法學(xué)使用隨機(jī)的激勵(lì)產(chǎn)生方式，具有收集功能覆蓋率的功能，加入計(jì)分板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的結(jié)果比對(duì)，完全滿足現(xiàn)階段基帶芯片的驗(yàn)證需求。而UVM[4]是目前最新的驗(yàn)證方法學(xué)，吸收了縱多驗(yàn)證方法學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，將是未來芯片驗(yàn)證的發(fā)展方向。

4　結(jié)束語

在我國4G覆蓋率不斷上升的背景下，5G的研發(fā)，衛(wèi)星通信的發(fā)展，核心技術(shù)之一還是基帶芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在目前基帶芯片架構(gòu)趨于穩(wěn)定的情況，驗(yàn)證成了提升芯片質(zhì)量和市場競爭力的關(guān)鍵。在不斷改進(jìn)基帶芯片架構(gòu)的同時(shí)研發(fā)高效的驗(yàn)證方法，對(duì)我國基帶芯片的發(fā)展具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]胡東偉,梁宏明,陳杰.移動(dòng)終端基帶芯片概論[J].移動(dòng)通信,2009,33(8):29-32.

[2]李鑫,劉亞新.LTE基帶芯片技術(shù)難點(diǎn)與現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代電信科技,2014(11):57-62.

[3]陳禮升.基于AMBA總線的SoC通用平臺(tái)搭建和SystemVerilog驗(yàn)證研究[D].濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué),2011.

[4]Accellera.Universal Verification Methodology(UVM) 1.1 User’s Guide[M].2011.

潘應(yīng)進(jìn)（1990－），男，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，研究方向：基帶芯片驗(yàn)證和嵌入式研究。

作者簡介：